Das Batteriesystem – Bauplan eines Erfolgsmodells

Die Elektrifizierung von Fahrzeugen stellt Ingenieure und Wissenschaftler vor neue Herausforderungen. Mehr noch als dem Elektromotor kommt dem Batteriesystem eine Schlüsselrolle zu.

Die heute am weitesten verbreitete Technologie ist die wiederaufladbare Lithium-Ionen-Zelle. Ihr Funktionsprinzip ermöglicht verschiedene Aufbauformen und Eigenschaften. Nur mit der genauen Kenntnis von Grundlagen und Lösungsansätzen ist eine gezielte Weiterentwicklung für den Einsatz im E-Auto möglich.

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Aufbau und Funktionsweise

Ein Batteriesystem setzt sich in der Regel aus mehreren Modulen zusammen, welche wiederum aus einzelnen Batteriezellen aufgebaut sind. Die Hauptkomponenten einer Batteriezelle bilden die beiden Elektroden Anode und Kathode, der Separator, der Elektrolyt und das Zellgehäuse. Die Elektroden bestehen aus einer mit Elektrodenfilm beschichteten dünnen Metallfolie, dem Stromsammler.

Im Fall von Lithium- Ionen-Zellen ist die Aluminiumfolie der Kathode häufig mit einem Elektrodenfilm beschichtet, der auf Übergangsmetalloxiden wie Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxiden basiert. Die Anode besteht üblicherweise aus einer Kupferfolie, die mit einem grafithaltigen Elektrodenfilm beschichtet ist. Die porösen Elektrodenfilme setzen sich zum größten Teil aus dem Aktivmaterial und zu geringeren Anteilen aus Leitkohlenstoffen sowie polymeren Bindern zusammen.

Die beiden Elektroden sind durch den Separator – eine semipermeable Membran – elektrisch voneinander isoliert, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Separatoren bestehen häufig aus mikroporösen Kunststoffen wie Polyethylen. Zusätzlich können sie durch keramische Partikel stabilisiert sein.

Die Poren in den Elektroden und im Separator sind von einem Elektrolyten durchtränkt, der als Lithium-Ionen-Leiter dient. Als Elektrolyte werden vor allem Lösungen aus organischen Carbonaten – beispielsweise Ethylencarbonat – und einem Leitsalz wie Lithiumhexafluorophosphat verwendet.

Unmittelbar nach dem Zusammenbau befindet sich eine Lithium-Ionen-Zelle im entladenen Zustand, das heißt, alle verfügbaren Plätze des Kathodenaktivmaterials sind vollständig mit Lithium-Ionen besetzt. Wird die Zelle geladen, wandern Lithium-Ionen von der Kathode durch den Elektrolyten zur Anode. Dort werden die Lithium-Ionen in die Anodenstruktur eingelagert.

Dieser Vorgang wird auch als Interkalation bezeichnet. Zum Ladungsausgleich fließen Elektronen von der Kathode über die angeschlossenen Stromquellen zur Anode. Beim Entladen findet genau der umgekehrte Prozess statt, und die Elektronen und Lithium-Ionen bewegen sich wieder in Richtung der Kathode. Das Hin- und Herpendeln der Lithium-Ionen zwischen den beiden Elektroden ist auch als Schaukelstuhlprinzip (rocking chair principle) bekannt.

Weiterentwicklung der Materialien für Lithium-Ionen-Zellen

Beim erstmaligen Laden einer Lithium-Ionen-Zelle bildet sich eine Deckschicht auf der Anode. Die Bildung dieser sogenannten SEI (Solid Electrolyte Interface) ist ein unvermeidbarer und irreversibler Prozess. Dieser hat einen Verlust von Lithium-Ionen zur Folge. Gleichzeitig schützt eine stabile SEI die Anodenstruktur jedoch vor Zerstörung.

Prinzipiell stehen fünf Eigenschaften im Mittelpunkt der Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Zellen: Sicherheit, Lebensdauer, Leistung, Kosten und Energie. Die Steigerung der Zellenergie ist dabei entscheidend, um den hohen Ansprüchen bezüglich der Reichweite von Elektroautos bei möglichst geringer Masse und geringem Volumen des Batteriesystems gerecht zu werden.

Sie ist das Produkt aus der mittleren Zellspannung U und der Zellkapazität Q (E = U x Q). Bezogen auf die Zellmasse oder das Zellvolumen spricht man von der spezifischen Energie (Wh/kg) oder der Energiedichte (Wh/l). Zur Steigerung dieser beiden Größen werden bestimmte Kernmaterialien gezielt weiterentwickelt und optimiert.

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