Ein Folterkammerl für Batterien

9. Juli 2013, 17:59
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Am neueröffneten Batteriemateriallabor des AIT werden unter anderem Akkus getestet - Die Forscher denken auch über Materialien für neue Hochleistungsbatterien nach

Auf den ersten Blick sieht das Häuschen, das sich an die Rückseite des Techbase-Gebäudes schmiegt, aus wie ein harmloser Gartengeräteschuppen aus Blech. Warnhinweise, Absperrung und ein riesiger Abzug deuten jedoch darauf hin, dass hier Tests unter Sicherheitsbedingungen stattfinden. Tatsächlich werden hier Batterien "gequält", um sie auf ihre Alltagstauglichkeit zu testen.

Öffnet man die Tür, sieht man Ruß an den Wänden, eine Apparatur, in die die Akkumulatoren eingespannt und zum Beispiel mit Nägeln malträtiert oder gequetscht werden, wie Rainer Weingraber, Head of Business Unit Electric Drive Technologies, das zum Mobility Department des AIT gehört, erklärt. Kameras zeichnen die gesamte Prozedur auf. So lässt sich das Geschehen danach wissenschaftlich analysieren.

Werbetrommel rühren

Das "Folterkammerl" ist Teil des Forschungsportfolios der AIT Unit Electric Drive Technology, die vor rund einem Monat ein neues Batteriemateriallabor eröffnet hat. "Wir sehen das Labor als Anlaufstelle für Dienstleistungen für unsere Kunden, beispielsweise aus der Automobilindustrie, der Batterieherstellung, der Materialentwicklung oder der Zellherstellung. Von der Materialoptimierung bis zum Testen der Batterie stellen wir alle Services aus einer Hand zur Verfügung", rührt Weingraber die Werbetrommel für die neue Forschungseinrichtung. Finanziell wurde das Batteriemateriallabor vom Verkehrsministerium alimentiert, der Industriellenvereinigung und dem ZIT, der Technologieagentur der Stadt Wien.

Der Testbereich der Batterieforscher ist über mehrere Räume verteilt. So werden beispielsweise in einem Raum in - vom AIT entwickelten - Prüfständen Zellen in Klimakammern unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt. In anderen Räumen werden sie ordentlich durchgeschüttelt, mit Wasser, Staub oder Salz in Kontakt gebracht. Auch elektrische Tests werden durchgeführt, das heißt, die Akkumulatoren werden geladen und entladen. Die entsprechende Software steht ebenfalls zur Verfügung.

Alterung simulieren

"So bekommen wir die Möglichkeit Batteriezellen zu charakterisieren: Wir nehmen Zellen - das Hauptthema unserer Forschung -, packen sie in einen Klimaschrank, spielen zahlreiche Lade- und Entladezyklen durch und können so deren Alterung simulieren", erklärt Weingraber den Vorgang stark vereinfacht. Zusätzlich könne man mit sogenannten Post-mortem-Analysen nach dem Ableben der Zelle die Veränderung der Zellchemie feststellen und analysieren. So kann man letztendlich eine Empfehlung an den Hersteller bezüglich der Eignung der Zellen abgeben bzw. dahingehend, welche Optimierungen vorteilhaft wären. Die Nachfrage nach solchen Tests sei groß, wie Weingraber weiter ausführt, weil viele Zellen auf dem Markt seien und die Hersteller Testzyklen auch auslagern würden.

In Hinblick auf die Elektromobilität wird die Batterieentwicklung von zahlreichen Experten als Knackpunkt auf dem Weg zum leistbaren und leistungsfähigen Elektroauto gesehen. Die Steigerung von Kapazität, Effizienz, Lebensdauer und die Senkung von Gewicht und Kosten stehen daher im Mittelpunkt der Batterieforschung weltweit. "Wir erleben gerade sehr spannende Entwicklungen. Die Zahl der Hybridautos, die Elektroantrieb und Verbrennungsmotor kombinieren, wird weiter zunehmen. Das hat den großen Vorteil, dass über diese hohen Stückzahlen die Entwicklung und Optimierung von Batterien weiter vorangetrieben wird", sagt Weingraber.

Komplexe Prozesse

Große Hoffnungen setzt die Autobranche dabei auf die Lithium-Ionen-Batterie (Li-Ion), wie sie auch in Handys oder Laptops zu finden ist. Deren große Vorteile sind ihre hohe Energiedichte und ihr hoher Wirkungsgrad. Eine wieder aufladbare Li-Ion-Batterie besteht im Wesentlichen aus zwei porösen Elektroden, die durch den elektrolytgefüllten Separator getrennt sind. Beim Laden und Entladen der Batterie werden Lithium-Ionen zwischen den Elektroden ausgetauscht. Diese elektrochemischen Prozesse, die während des Auf- und Entladens der Batterie bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen ablaufen, sind aus materialwissenschaftlicher Sicht sehr komplex. Um den Anforderungen von elektrischen Fahrzeugen gerecht zu werden, ist noch viel Entwicklungsarbeit notwendig - auch vor dem Hintergrund von Recycling und einer künftigen Serienfertigung.

Zu den Stellschrauben, an denen noch gedreht werden kann, gehören neue Materialien, die die Zellchemie verbessern. So wird am Batteriemateriallabor auch an neuen Materialien geforscht. Räumlich ist diese zweite Forschungssäule ein paar Schritte quer über die grüne Wiese von den Testeinrichtungen entfernt. Dort denkt man bereits über die Li-Ion-Batterie hinaus, wie Atanaska Trifonova schildert, während sie durch die Räumlichkeiten ihres "Reichs" führt und all die komplexen Arbeitsschritte, die dort passieren, erklärt. Die Wissenschafterin ist die Themenkoordinatorin für elektrische Energiespeichersysteme am Batterielabor. Sie leitet auch die Materialentwicklung.

Hohe Energiedichte

"Das Ziel ist eine Hochspannungszelle, die zum einen eine hohe Energiedichte und zum anderen ein geringes Volumen aufweist", sagt Trifonova. Die Materialien dafür müsse man erst entwickeln, erläutert sie weiter. So sei beispielsweise der Elektrolyt eine ganz spezielle Herausforderung. "Bei der Li-Ion-Batterie arbeitet der Elektrolyt bereits an der Grenze seiner thermodynamischen Stabilität. Das heißt, es werden beim ersten Auf- bzw. Entladen der Batterie auch Zersetzungsreaktionen passieren, deren Produkte sich auf der negativen Elektrode abscheiden und einen Film bilden, was Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Batterie stark beeinflusst", sagt Trifonova. Ziel sei es, einen bei hoher Spannung möglichst stabilen Elektrolyten zu entwickeln und dessen Kompatibilität mit Elektrodenmaterialien zu verstehen.

Die Materialwissenschafterin denkt über Metall-Luft-Systeme nach, die eine ausreichende Energiedichte haben (Lithium-Luft zum Beispiel hat eine ähnliche Energiedichte wie Benzin) und die mit billigeren Materialien wie Magnesium, Aluminium oder Zink funktionieren sollen: "Diese Batterien der Post-Lithium-Ionen-Generation werden erst nach 2030 spruchreif sein - vorausgesetzt die Forschung geht mit der gleichen Intensität weiter." (Markus Böhm, DER STANDARD, 10.7.2013)

  • Um die Zellchemie der Akkumulatoren zu verbessern, testen die Forscher am Batteriemateriallabor des AIT neue Materialien. Das Ziel ist eine Hochspannungszelle mit hoher Energiedichte und geringem Volumen.
    foto: ait

    Um die Zellchemie der Akkumulatoren zu verbessern, testen die Forscher am Batteriemateriallabor des AIT neue Materialien. Das Ziel ist eine Hochspannungszelle mit hoher Energiedichte und geringem Volumen.

  • Rainer Weingraber leitet das Geschäftsfeld Electric Drive Technologies am AIT.
    foto: standard/corn

    Rainer Weingraber leitet das Geschäftsfeld Electric Drive Technologies am AIT.

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