SCHNELLLADEN: THERMOSIMULATION FÜR HPC
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www.emobilitytec.com SYSTEME, KOMPONENTEN UND TECHNOLOGIEN FÜR HYBRID- UND ELEKTROFAHRZEUGE 02 2019 SCHNELLLADEN: THERMOSIMULATION FÜR HPC LADEN Adäquate Security-Imple- mentation für das Laden von EV-Fahrzeugen LEICHTBAU EMV-Abschirmung: Mit Kunststoff anstelle von Aluminium
Infotainment . Stromversorgungen . Internet der Dinge . Fertigungssteuerung . Baugruppenfertigung . Mul-
timedia . Elektromechanik . Lichttechnik + LED . Engineering . Test + Qualität . Halbleiter . Laserbearbei-
tung . Programmierbare Logik . Distribution . Steuerungen . Kabelbearbeitung . Safety & Security . Ana-
log-/Mixed-Signal-ICs . Bildverarbeitung . Messtechnik + Sensorik . Antriebstechnik . Conformal Coating
. Leistungselektronik . Embedded-Systeme . Kommunikation . Leiterplattenfertigung . Fahrerassistenz .
Wireless ICs . EMV . Fernwartung . Mikromontage . Alternative Antriebe . Aktoren . Industrie-PC . Power .
Schablonendrucker . Bussysteme/Protokolle . Digitale Marktübersichten . Steuerungen . HF-/Mikrowellen-
technik . Fertigungssteuerung . Rework & Repair . Tools . Entwicklungssysteme . Human Machine Inter-
face . Bauteilelagerung . Ethernet . Display-Technik . Quarze/Oszillatoren . Car-to-X . Wärmemanagement
. Infotainment . Stromversorgungen . Internet der Dinge . Fertigungssteuerung . Baugruppenfertigung .
Multimedia . Elektromechanik . Lichttechnik + LED . Engineering . Test + Qualität . Halbleiter . Laserbe-
arbeitung . Programmierbare Logik . Distribution . Steuerungen . Kabelbearbeitung . Safety & Security .
Analog-/Mixed-Signal-ICs . Bildverarbeitung . Messtechnik + Sensorik . Antriebstechnik . Conformal Coa-
ting . Leistungselektronik . Embedded-Systeme . Kommunikation . Leiterplattenfertigung . Fahrerassistenz
we are
. Wireless ICs . EMV . Fernwartung . Mikromontage . Alternative Antriebe . Aktoren . Industrie-PC . Power .
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face . Bauteilelagerung . Ethernet . Display-Technik . Quarze/Oszillatoren . Car-to-X . Wärmemanagement
Alles was sie über Entwicklung, FErtigung, AutomAtisiErung wissen müssen
. Infotainment . Stromversorgungen . Internet der Dinge . Fertigungssteuerung . Baugruppenfertigung .
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technik . Fertigungssteuerung . Rework & Repair . Tools . Entwicklungssysteme . Human Machine e
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. Leistungselektronik . Embedded-Systeme . Kommunikation . Leiterplattenfertigung a . Fahrerassistenz
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emobility tec 02/2019 Editorial
editorial
von Chefredakteur Alfred Vollmer
Geladen, nicht getankt
Wenn am 9.4.2020 der 25. James-Bond-Film in die Kinos kommt, dann wird 007
erstmals elektrisch fahren – und zwar in einem Aston Martin RapideE. Man kann
ja über James-Bond-Filme denken wie man will, aber eines muss man ihnen
bescheinigen: Sie gehen stets mit der Zeit, greifen aktuelle Strömungen sowie
den Zeitgeist sehr schnell auf und sind technologisch immer auf der Höhe, teil-
weise auch fiktionär weiter als die Technik/Physik es (derzeit) zulässt.
Rechtzeitig zum offiziellen Drehbeginn des 25. Bond-Films stellte das Schweizer
Unternehmen Juice Technology die Frage, wie 007 seinen Wagen laden wird; die
Lizenz zum Laden hat er jetzt. Wer bei Youtube nach „#bond25 juice“ sucht, fin-
det eine nett gemachte Antwort rund um das AC-Laden mit niedriger Leistung.
Das brennende Problem (wer das Juice-Video gesehen hat, schmunzelt jetzt wohl)
auf der Entwicklungsseite ist derzeit jedoch das DC-Laden per HPC. In unserer
Coverstory gehen wir ab Seite 24 ausführlich auf das Thema HPC ein, obwohl der
Schwerpunkt des Beitrags auf der Thermosimulation liegt. Ein ganz anderer Lade-
Ansatz ist das drahtlose Snack-Charging, das wir auf Seite 28 vorstellen, und für
das Management eines Ladesäulen-Verbunds in einem Ladepark ist eine entspre-
chende EV Charging Suite sehr hilfreich (Seite 32). Wie die EVUs das Ladesäulen-
Management mithilfe von KI in den Griff bekommen können, zeigt der Beitrag auf
Seite 36. Mit einem Bericht, warum und wie Security (nicht nur) im Rahmen des
Lade-Managements von sehr hoher Bedeutung ist, schließen wir auf Seite 40 den
Themenschwerpunkt „Laden“ ab. Allerdings bekommen Sie in der emobility tec
stets die volle Ladung, denn wir berichten auch über Themen wie Batterie (Seite
18), Antrieb (Seite 44), Tools (Seite 52), EMV (Seite 62) etc.
Ich werde mir „Bond 25“ sicher anschauen. Schon jetzt bin ich gespannt, welche EV-
Action vor uns im IMAX-Format über die Leinwand flimmern wird und wie Pine-
wood (UK) mit dem neuen Motorsound des 007-EVs umgeht; in Avengers End
game (aus Hollywood/USA) röhrt nämlich ein Audi e-Tron GT im V8-Sound...∕∕
Automotive-Highlights
vom Batterie-Kongress
„Advanced Battery
Power“
Beitrag der Redaktion, Seite 14
4 Mai 2019 emobility tec 02/2019
inhalt 02.2019
24
MÄRKTE + TECHNOLOGIEN LADEN ANTRIEBE
06 Meldungen 28 Induktives Laden im urbanen Raum 44 CoFe-Legierung für Elektroantriebe
Nachrichten aus der Welt der Wie lässt sich induktives Laden in der Mit Blechpaketen aus Kobalt-Eisen-
Elektromobilität Stadt effektiv umsetzen? Legierungen lassen sich typischerweise
20 bis 30 Prozent höhere Leistungsdich-
12 E-Mobilität auf der HMI 2019 32 Ladestationen mit Management-Suite ten erzielen – mittlerweile auf einem
Exponate rund um die Elektromobilität Wie individuell zugeschnittene Ladelö- serienfähigen Kostenniveau.
auf der Hannover Messe – inklusive sungen und die passende Software den
Brennstoffzellen-Technologie. Aufbau von Ladeparks erleichtern. 48 Px – Level für Hybridantriebe
Hybridantriebe für Fahrzeuge mit Front-
14 Advanced Battery Power 2019 36 Was ist, wenn alle elektrisch fahren? antrieb bieten Vorteile in punkto Kraft-
In diesem Jahr war der Einfluss des Wie können wir sicherstellen, dass stoffverbrauch und CO2-Emmissionen.
Automotive-Sektors auf die Batterient- unsere Versorgungsnetze der steigenden Ein Hybridantrieb mit P3-Konfiguartion
wicklung noch stärker zu spüren als die Belastung standhalten? Ein per KI trai- könnte gute Antworten liefern.
Jahre zuvor. Materialentwicklung, Ther- nierter Demand-Response-Algorithmus
momangagement, neue Fahrzeug-Archi- kann Abhilfe schaffen.
tekturen und die Zukunft der Batterie in
Europa gehörten zu den Highlights. 40 Sicherheit für das Laden von EVs
Der Umstieg zur Elektromobilität führt MESSEN/ TESTEN/ TOOLS
18 Aufbruch ins Post-Lithium-Zeitalter zu einem grundlegenden Paradigmen-
Magnesium als Batteriematerial bietet wechsel in der Mobilität – und dafür ist 52 Software-Suite für das Engineering
einige Vorteile, aber wie weit ist die For- auch eine adäquate Security-Implemen- Zur Gewährleistung der Funktionalität
schung noch von der Massenfertigung tation rund um die Lade-Funktionalität und Zuverlässigkeit der E/E-Fahrzeug-
entfernt? erforderlich. systeme bietet eine umfangreiche Tool-
Suite mit virtuellem Begleiter von der
Spezifikation über Prototyping, Test und
Validierung bis zur Fertigung und zum
Designänderungsmanagement.
COVERSTORY
24 Thermosimulation für das High-
Power Charging (HPC) von Elektro-
messe
fahrzeugen
Eine systemische Verlustwärmesimu-
lation dient als Grundlage für eine
lastoptimierte Auslegung elektrischer
Anschlusskomponenten – aber was
heißt das konkret und wie lässt sie sich 14 Advanced Battery Power 2019
beim DC-Laden mit sehr hohen Ladeleis- Forscher und Entwickler von Universitäten
tungen umsetzen? und aus der Industrie tauschen sich über
den aktuellen Stand der Batterietechnologie
aus, und die Redaktion war vor Ort dabei.
emobility tec 02/2019
e-mobility mit
40 62 Flüssigkeitskühlung
· Kühlung des On-Board-Chargers
· Effizienter Schutz vor Überhitzung der Ladebatterie
· Schnelle Kühlung direkt am Bauteil
· Projektspezifische Dimensionierung
56 Test und Simulation von SOC und SOH · Einfacher Anschluss an bestehende Kühlkreisläufe möglich
Wo liegen die Chancen und Herausfor-
derungen für Unternehmen, die sich auf
den Test von E-Motoren und Batterie-
Management-Systemen (BMS) speziali-
siert haben?
59 Prüfung des Insolationssystems
Mit der Erweiterung seiner Testanla-
gen um ein eDrive-Testlabor bietet ein
Institut für Hochspannungsisolation
seinen Kunden nun die Möglichkeit, das
Isolationssystem ihrer Elektromotoren
für Elektrofahrzeuge umfangreich prüfen
zu lassen.
LEICHTBAU
62 Abschirmung gegen Störfelder
Eine Abschirmung durch Kunststoff-
gehäuse könnte zukünftig das bislang
dominierende Aluminium beim EMV-
Schutz teilweise ersetzen.
RUBRIKEN
03 Editorial
Geladen, nicht getankt
64 Neue Produkte E-Mobilität
Highlights
66 Impressum
66 Verzeichnisse
Inserenten-/Personen-/ Unternehmens-
verzeichnis
www.ctx.eu . info@ctx.eu
6 Märkte + Technologien Meldungen emobility tec 02/2019
Märkte + Technologien
KOMPETENZAUFBAU BEI DER ZELLENFERTIGUNG bis hin zum Recycling. Vorrangiges Ziel
ist ein Kompetenzaufbau bei der Batterie-
VW und Northvolt forschen zellfertigung.
Partner aus Forschung und Industrie
an neuen Batteriezellen
aus sieben EU-Mitgliedsstaaten kommen
in dem Konsortium zusammen. Die For-
schungsarbeiten reichen vom Abbau von
Rohstoffen, der Erforschung von Zell-
Volkswagen und der schwedische Batteriehersteller Northvolt führen ein neues
technologie und Zellfertigungsprozessen
Konsortium zur Batterieforschung. Partner aus sieben EU-Mitgliedsstaaten sind
bis hin zum Recycling. Die Entwicklung
daran beteiligt.
und Bereitstellung von Anlagetechnolo-
gien ist Bestandteil der Forschungsakti-
v itäten, die eine nachhaltige, kli-
mafreundliche und wettbewerbsfähige
Batteriezellfertigung in der Europäi-
schen Union ermöglichen soll.
Alle beteiligten Partner wollen im
Zuge der zusätzlichen geplanten For-
schungsaktivitäten ihre Investitionen
erhöhen. Durch die vom Bundesministe-
Bild: Volkswagen
rium für Wirtschaft und Energie ausge-
lobten Fördermittel könnten diese Auf-
wendungen „finanziell abgebildet“ wer-
Der Volkswagen-Konzern und wei- wagen und dem schwedischen Batterie- den. Alle gewonnen Erkenntnisse der
tere europäische Partner schließen hersteller Northvolt. Die gemeinsamen „European Battery Union“ sollen lände-
sich zur European Battery Union (EBU) Aktivitäten der European Battery Union rübergreifend zwischen allen beteiligten
zusammen, um die Batterieforschung werden sich auf die gesamte Wertschöp- Partnern ausgetauscht werden. Start der
europaweit voranzutreiben. Geführt wer- fungskette der Batterie konzentrieren – gemeinsamen Forschungsaktivitäten soll
den soll das neue Konsortium von Volks- von Rohstoffen über die Zelltechnologie Anfang 2020 sein. ∕∕
Kritik an EKF-Verordnung
Nutzer von Elektrokleinstfahrzeugen gründen Verband
In Berlin hat sich ein Bundesverband Elektrokleinstfahrzeuge e.V. gegrün-
det. Der Verband begrüßte, dass sich die Bundesregierung dazu entschie-
den hat, EKFs nun auch in Deutschland zuzulassen. „Jedoch ist die EKF-
Verordnung der Bundesregierung ein klares Indiz dafür, dass man nur ein-
zelne Fahrzeuge und Insellösungen zulassen will“, teilte der Verband in ei-
ner Pressemitteilung mit. Das werde dem Potenzial und den jetzt schon
am Markt erhältlichen Lösungen bei weitem nicht gerecht. Die EKF-Ver-
ordnung für Elektrotretroller und die angekündigte Sonderverordnung für
Geräte ohne Lenkstange mit der Forderung nach einer allgemeinen Be-
triebserlaubnis und einer Haftpflicht auch für Kinder verhindere nach An-
Bild: rabe-web
sicht des Verbands die einfache Nutzung im Alltag.
Mit uns wird Mobilität noch schneller elektrisch. Visionen im Bereich E-Mobilität setzt dSPACE schnell und zuverlässig um, weil wir mit den besonderen Anforderungen elektrischer Antriebe schon seit langem vertraut sind. Für die Entwicklung und den Test von Elektromotoren, Energiespeichern und Ladeinfrastrukturen bieten wir Kunden in aller Welt eine innovative, skalierbare Toolkette – aus einer Hand. So wird E-Mobilität noch schneller zur echten Alternative. www.dspace.com
8 Märkte + Technologien Meldungen emobility tec 02/2019
Märkte + Technologien
HÜRDEN FÜR ELEK TROMOBILITÄT Batterie-Management und mehr
Überwachung und Schutz in (H)EVs
Mangelnde Reichweite
69 Prozent der deutschen Autofahrer sagen, dass eine mangelnde Reichweite
sie von dem Kauf eines Elektroautos abhält. Das ergab eine Online-Befragung von
Consors Finanz.
mindestens 500 Kilometer
Bild: Alfred Vollmer
durchhält. Der Studie zufolge
legen die wenigsten Autofah-
rer solche Strecken pro Tag Texas Instruments hat vollständig geprüfte Re-
wirklich zurück. „Die Reich- ferenzdesigns für Batteriemanagement- und
Traktions-Wechselrichter-Systeme auf den
weitenangst ist auch deshalb
Markt gebracht. Als Karl-Heinz Steinmetz, GM
so groß, weil die Ladeinfra- Automotive Systems HEV/EV & Powertrain bei
struktur die Verbraucher nicht TI, das neue Board präsentierte (siehe Foto),
überzeugt“, sagte Bernd Brau- hob er hervor, dass damit das Design eines ge-
mäß ASIL-D spezifizierten Systems erheblich
er, Head of Automotive Finan-
leichter werde. Zur Überwachung von sechs
cial Services. So sind 75 Pro- Batteriezellen ist jeweils eine Fläche von 20
zent der Meinung, dass öffent- mm x 40 mm erforderlich, auf der der unter
Bild: Consors Finanz
liche Ladestationen entlang anderem der brandneue BQ79606A-Q1 ge-
des Straßennetzes bislang nannte Chip zur sechskanaligen Überwachung
mit integrierter Schutzfunktion enthalten ist.
nicht in ausreichender Menge Bis zu 64 dieser ICs lassen sich im Daisy-Chain-
Eine mangelnde Reichweite ist für vorhanden sind (Deutschland: 81 Pro- Verfahren auf Basis einer TI-proprietären
die meisten Deutschen der Grund, zent). 74 Prozent (Deutschland: 85 Pro- UART-Verbindung hintereinander schalten,
kein Elektroauto zu erwerben. Das sagen zent) halten die Batterieladezeit für deut- um so 384 Zellen (ergo: 1,5 kV) zu überwa-
chen. Um auch bei einem einfachen Kabel-
69 Prozent in einer Online-Befragung im lich zu lang. Für 52 Prozent könnte das bruch Redundanz zu bieten, kann die Daisy-
Auftrag von Consors Finanz. 38 Prozent Interesse an einem Elektroauto erst Chain als Ring zurückgeführt werden. Die A/D-
der Befragten würden sich für ein Elek- geweckt werden, wenn die Ladedauer Wandler zur Überwachung der Zelltemperatur
troauto entscheiden, wenn die Batterie maximal 30 Minuten beträgt. sind bereits auf dem Chip integriert.
Expansion
Akasol errichtet neue Firmenzentrale in Darmstadt
Das Batterietechnologie-Unternehmen Akasol hat ein ehemaliges Mili-
tärgrundstück im Südwesten Darmstadts gekauft, auf dem der neue Fir-
menhauptsitz entstehen soll. Die Firma investiert einen mittleren zwei-
stelligen Millionenbetrag in die neue Zentrale. Auf dem Gelände errichtet
sie neben dem Hauptverwaltungsgebäude noch ein Test- und Prüfungs-
zentrum für die Batteriesystementwicklung sowie eine 15.000 Quadrat-
meter große Produktions-, Montage- und Logistikhalle. Das Zentrum wird
mit Prüfequipment mechanische, elektronische und elektrotechnische
Tests ermöglichen. Akasol will die Bauarbeiten bis spätestens Mitte 2020
abgeschlossen haben. Das Unternehmen schafft durch den Bau des neuen
Bild: Akasol
Hauptverwaltungssitzes und der Mehrzweckhalle rund 500 Arbeitsplätze.
emobility tec 02/2019
DIAGNOSE- UND
TESTLÖSUNGEN
BY SOFTING
Bild: ABB
Bild: VDE
Volvo und NTU Singapur testen
autonom fahrenden Elektrobus
Volvo und die Universität NTU Singapur haben den ersten von zwei
autonom fahrenden Elektrobussen entwickelt. Nachdem der Elek-
trobus am Kompetenzzentrum für Prüfung und Forschung der NTU
zahlreiche Tests erfolgreich absolviert hat, starten in Kürze erste
Testfahrten auf dem Campus der Universität. Die Partner wollen
die Fahrstrecken sukzessive über das Campusgelände hinweg aus-
bauen. ABB steuert dabei eine intelligente Schnell-Ladelösung für
den E-Bus bei. Dessen auf dem Opp-Charge-Konzept basierendes
Schnell-Ladesystem HVC 300P mit einer Ladeleistung von 300 kW
eignet sich für das autonome Laden in Busdepots sowie im laufen-
den Verkehr. Ausgestattet ist der Elektrobus mit zahlreichen Senso-
ren und Navigationssteuerelementen, die von einem gegen Cyber-
angriffe geschützten KI-System gesteuert werden. Volvo liefert den
E-Bus mit seiner Autonomous-Research-Software aus.
Seit März gilt die neue Verordnung für
Niederspannungsanschlüsse
Ladeeinrichtungen für E-Fahrzeuge müssen beim örtlichen Netz-
betreiber angemeldet werden – ob im öffentlichen Raum oder auf
privatem Gelände. Dazu sind alle Betreiber von Ladeeinrichtungen
seit der Änderung der Niederspannungsanschlussverordnung im
März 2019 verpflichtet. Zur Umsetzung der Vorgabe hat der VDE
die Anwendungsregel „Technische Anschlussregeln Niederspan-
nung“, die den Anschluss und Betrieb von Bezugsanlagen am Nie-
derspannungsnetz regelt, aktualisiert. Neu sind Regelungen für
den Betrieb von Ladeeinrichtungen für Elektrofahrzeuge.
10 Märkte + Technologien Meldungen emobility tec 02/2019
Märkte + Technologien
LANGRFRISTIGE PERSPEK TIVE
Miba investiert 100 Millionen
Euro in Elektromobilität
Bild: KIT
Die österreichische Miba errichtet am Standort Vorchdorf ein E-Mobility-Cluster
und in Suzhou nahe Shanghai ein zweites Werk für die Belieferung des chinesi-
schen Elektroauto-Marktes.
Miba plant, bis 2025 mehr als 100 investieren. Das kündigte Miba-CEO
Millionen Euro in den Auf- und F. Peter Mitterbauer (Foto) an. Diese Mittel
Ausbau ihres E-Mobility-Geschäfts zu sollen ins Personal, in Forschung und Ent-
Bild: Bosch
wicklung, in zusätzliche Produktionslini-
en für rein elektrisches wie auch für hyb-
ridelektrisches Fahren und in den Ausbau E-Mobility: KIT, ZSW und FSU
bestehender Standorte fließen. Um in dem arbeiten an Natrium-Ionen-Batterien
neuen Geschäftsfeld E-Mobility weiter zu Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), das
wachsen, baut Miba am Standort Vorch- Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-
dorf einen E-Mobility Cluster auf. „Wir Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und die
vernetzen dort unser Know-how aus der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU) arbei-
ten an einem Prototypen einer Natrium-Ionen-
Elektrifizierung und aus der Automobilin-
Bild: Miba/Hermann Walkobinger
Batterie. Schwerpunkt ist die Entwicklung leis-
dustrie“, sagte Mitterbauer. Derzeit über- tungsfähiger, flüssiger und polymerer Natrium-
siedeln erste Teile des Miba E-Mobility- Ionen-Batterien, die Übergangsmetallschichto-
Teams in den neuen Cluster. ∕∕ xide auf der Kathodenseite und Hartkohlenstoff
aus Biomasse auf der Anodenseite verwenden.
Die Batterie könnten als stationärer Energie-
speicher dienen oder in Elektrofahrzeugen zum
Einsatz kommen.
BASF entwickelt technischen Kunststoff für ein Brennstoffzellensystem
Bosch liefert Innovationen für
BASF hat zusammen mit Joma-Polytec und Wasserstoff-Truck von Nikola Motor
Mercedes-Benz Fuel Cell einen technischen
Kunststoff konzipiert, der den Anforderun- Nikola Motor hat einen wasserstoffbetriebenen
gen der Automobilindustrie Rechnung tra- Truck namens Nikola Two vorgestellt. Bosch lie-
gen soll. Den Unternehmen ist es gelun- ferte bei dieser Entwicklungszusammenarbeit
gen, mit dem Polyamid Ultramid die Ano- Technik zu, um den Brennstoffzellen-Lkw unter
den- und Kathodenplatte in der Brenn- Strom zu setzen und mit neuen Features auszu-
stoffzelle aus Kunststoff herzustellen. In statten. Herz des Trucks ist ein brennstoffzellen-
dem Modell Mercedes GLC sollen nun erste gespeister Antrieb, der eine größere Fahrzeug-
teilsynthetische Brennstoffzellen in Kombi- reichweite ermöglichen soll. Diesen Antrieb und
nation mit nachladbaren Lithium-Ionen- das Fahrzeug-Chassis, in das er integriert ist,
Batterien zum Einsatz kommen. Stefan entwickelten Bosch und Nikola gemeinsam.
Heinz, stellvertretender Leiter Entwicklung Ausgestattet ist das Fahrzeug mit zahlreichen
Kunststofftechnik bei Joma-Polytec, Funktionen, die eine große Rechenleistung er-
glaubt, dass durch das Fachwissen der Ko- fordern. Diese liefert das zentrale Steuergerät,
operationspartner und das Produktportfo- die Vehicle Control Unit von Bosch. Und ein von
lio von BASF ein „großer Schritt bei der Se- Bosch und Mekra Lang entwickeltes Mirror Cam
rienentwicklung von Brennstoffzellen“ ge- System ersetzt die Außenspiegel durch Video-
Bild: BASF
macht werden kann. sensoren außen an der Fahrzeugkabine.Null Emissionen. So gut wie. Mit unseren Technologien tragen wir dazu bei, die Emissionen im Straßenverkehr deutlich zu senken. Auf die Dunoten im Innenraum haben wir aber (noch) keinen Einfluss. Wir bei ZF arbeiten intensiv an der Vision Zero – nämlich einer Welt ohne Unfälle und Emissionen. Unsere Elektroantriebe für unterschiedlichste Fahrzeugsysteme helfen, diesem Ziel ein großes Stück näher zu kommen. zf.com/efficiency
12 Märkte + Technologien E-Mobilität auf der HM emobility tec 02/2019
Wasserstoff wird immer wichtiger
E-Mobilität auf der Hannover Messe 2019
Auf der Hannover Messe gab es auch in diesem Jahr wieder interessante Exponate rund um die Themenkreise
Elektromobilität und Brennstoffzellen-Technologie auf Basis von Wasserstoff. Die Redaktion war vor Ort und
hat einige Eindrücke in Bildern eingefangen. Autor: Dipl.-Ing. Alfred Vollmer
1/ Volkswagen präsentierte seinen
MEB: Modularer Elektrifizierungs-
Baukasten mit diversen verschiedenen
Aufbaukonzepten.emobility tec 02/2019 Märkte + Technologien E-Mobilität auf der HM 13
2/ Nicht nur beim diesjährigen Partnerland Schweden ging es
um Ladestationen…
4/ Vom Ego Mover gibt es jetzt einen Prototypen
mit Brennstoffzelle, die als Range-Extender mit 4
bis 6 kg Wasserstoff (in einem 5-l-Tank mit 700 bar)
etwa 150 km zusätzliche Reichweite ermöglicht.
Alle Bilder: Alfred Vollmer
3/ … sondern auch bei ABB (hier auf dem schwedischen Gemein-
schaftsstand).
5/ Auch Energieversorger wie ENBW präsentierten sich mit ihren Ladelö-
sungen in Hannover.
6/ Diverse Unter-
nehmen stellten
Lösungen rund
um das Thema
Wasserstoff vor. So
zeigte Toyota die
Brennstoffzelle des
Toyota Mirai.
7/ An mehreren
Ständen luden
Simulationsspiele
zum Fahren in ei-
nem EV ein.14 Märkte + Technologien Advanced Battery Power emobility tec 02/2019
Bild: Nicole Ahner
Automotive noch stärker im Fokus
Die Advanced Battery Power 2019
Auf der Advanced Battery Power 2019 in Aachen konnten sich mittlerweile zum elften Mal Forscher und
Entwickler von Universitäten und aus der Industrie über den aktuellen Stand der Batterietechnologie austau-
schen und Kontakte knüpfen. In diesem Jahr war der Fokus auf das Thema Automotive noch wesentlich deut-
licher zu spüren als in den Jahren zuvor. Autorin: Dr.-Ing. Nicole Ahner
K EY WORDS stunden an Batteriekapazität kommen jedes Jahr dazu, aber es
würden mittlerweile auch Preisreduzierungen bei Batteriepacks
Elektromobilität / Batterietechnologie / Lithium-Ionen-Batterie
in einem Maß möglich sein, das vor ein paar Jahren noch
/ Forschung & Entwicklung / Thermomanagement / Zellherstellung
undenkbar war – und das betrifft nicht nur den Kfz-Markt, son-
dern auch Nutzfahrzeuge wie Busse und Lieferwagen sowie auch
Wie gewaltig die Aktivitäten zur Elektrifizierung des den Sektor stationärer Energiespeicher.
Antriebsstrangs auch die Batterieentwicklung vorantrei- Automobilhersteller beschäftigen sich zunehmend selbst mit
ben, war deutlich spürbar. 2019 lag auf der Advanced Battery der Erforschung und Herstellung von Batterien und dem ent-
Power vor allem bei den Keynotes der Fokus ganz eindeutig auf sprechenden Assembly der Batteriemodule, wie Ted Miller von
dem Automotive-Sektor. Ging es im vergangenen Jahr vor allem Ford zeigte. Der OEM betreibt seit einigen Jahren ein Batterie-
um die Sicherung von Rohstoffquellen und die Reduzierung des labor an der University of Michigan, in dem Entwickler und For-
Kobaltgehalts, war 2019 das Engineering – von der Elektroden- scher aus Industrie und universitärem Bereich daran arbeiten,
herstellung, über das Thermomanagement bis hin zu ganz neu- kostengünstigere und langlebigere Energiespeicher zu entwi-
en Fahrzeugarchitekturen – in aller Munde. Veranstalter der ckeln. Das Labor testet hunderte von Zellchemien und Zellde-
Konferenz ist das Haus der Technik in Essen; die wissenschaft- signs und arbeitet daran, die Technologien schließlich vom Pro-
liche Leitung haben Prof. Dirk Uwe Sauer vom ISEA der RWTH totyping hin zur Fertigungsreife zu bringen.
Aachen und Prof. Martin Winter vom MEET Batterieforschungs-
zentrum der WWU Münster. WUNSCHDENKEN BEI DER ENERGIEDICHTE
Dass der Automotive-Sektor die Batterietechnologie in den Seit Anfang der 1980er Jahre gab es immer wieder neue Hypes
letzten zehn Jahren dramatisch verändert hat, erklärte auch Prof. um Batterietechnologien, die extreme Zuwächse in der Ener-
Sauer in seiner Eröffnungsrede. Automobilhersteller zeigen mitt- giedichte versprachen, in die viel Geld investiert wurde und die
lerweile ein hohes Maß an Engagement, den Weg in Richtung dann trotzdem bei Weitem nicht die zunächst gemachten Ver-
Elektromobilität zu beschreiten. Mehrere Hundert Gigawatt- sprechungen halten konnten. Professor Petr Novák vom Paulemobility tec 02/2019 Märkte + Technologien Advanced Battery Power 15
Bild 1 und 2: Paul Scherrer Institut
Bild 1: Eine gute Grundlage für die praktisch realisierbare Energiedichte ist Bild 2: Batterien mit Nanopartikeln haben zwar Vorteile bei Technologien
es, den theoretisch möglichen Maximalwert durch vier zu teilen. Oft liegt wie LTO oder LPF, führen aber oft zu unerwünschen und gasproduzierenden
der wirklich erreichbare Wert sogar noch darunter. Seitenreaktionen.
Scherrer Institut wollte mit seiner Keynote genau diese Hypes riezellen, denn sie entfalten ihr hohes Potenzial zum Beispiel für
entkräften und zeigte, was bei Zellchemien Wunschdenken und schnelles Laden nur, wenn die Elektroden extrem dünn sind.
was realistische Fakten sind. Preise für Batteriepacks von 150
US-Dollar pro Kilowattstunde und darunter seien bis 2025 wohl DAS POTENZIAL DER NATRIUM-BATTERIE
möglich, betrachten aber eben nur das Batteriepack selbst. Noch Als vielversprechender Kandidat für die Ablösung der Lithi-
viel höhere Kosten fallen für die notwendige Infrastruktur an, um-Ionen-Technologie gilt die Natriumbatterie. Ihre theore-
beispielsweise für die Stromversorgung von Ladestationen, zum tisch mögliche spezifische Energie ist zwar niedriger als die
Großteil finanziert aus Steuergeldern. Um die wirklichen Kosten der Lithium-Ionen-Batterie, aber sie kann beim Massentrans-
für Batteriepacks zu reduzieren sei es wichtig, die Prozesskos- fer und bei elektrochemischen Prozessen mit sehr viel höheren
ten bei der Herstellung sowie die Overhead-Kosten zu senken. Geschwindigkeiten punkten. Es stellt sich jedoch die Frage, ob
Wichtig sei es auch, sich nicht am theoretisch möglichen spezi- die Natriumbatterie unterschiedlichen Lade- und Entladezyklen
fischen Energiegehalt einer Zellchemie zu orientieren. Praktisch handhaben kann, wie sie zum Beispiel bei Batterien in Elektro-
liegt der spezifische Energiegehalt nur bei einem Viertel des the- fahrzeugen vorkommen. Je schneller die Entladung stattfindet,
oretischen Wertes und darunter (Bild 1). Ein Beispiel dafür ist die desto besser steht die Natriumbatterie da, was vor allem an ihrer
Reaktion von Lithium und Sauerstoff zu Li2O in Lithium-Luft- schnellen Kinetik liegt. Trotzdem kann die Natriumbatterie mit
Zellen. Die Zellchemie bringt es auf etwa 1800 mAh/g bei 4 V den derzeitig eingesetzten Materialkonfigurationen bei Anoden
Zellspannung, was einem theoretisch möglichen spezifischen und Kathoden im praktischen Einsatz nicht mit der flexibleren
Energiegehalt von 7200 Wh/kg entspricht. Praktisch müsste Lithium-Ionen-Technologie mithalten. Um sie konkurrenzfähig
also eine Batterie mit etwa 2000 Wh/kg realisierbar sein, durch zu machen, ist die Entwicklung neuer Anoden- und Kathoden-
unvollständige Reaktionen von Lithium und Sauerstoff zu Li2O2 materialien notwendig, die mehr spezifische Ladung und höhere
und nicht zu Li2O liegt der wirklich erreichbare Wert jedoch nur Spannungen ermöglichen.
bei 1000 Wh/kg.
DIE BATTERIE ALS ZENTRUM DES FAHRZEUGS
IST NANO DIE LÖSUNG? Modularen Elektrifizierungsbaukasten nennt Volkswagen die
Ein weiterer Trend ist der Übergang zu Nanopartikeln zur Erhö- nächste Evolutionsstufe bei der Elektrifizierung. Dr. Matthias
hung der Oberfläche in der Batterie. Diese Technologie kann für Ullrich erklärte, warum das bisherige Vorgehen bei der Entwick-
einige wenige Batterietypen durchaus nützlich sein, beispiels- lung des Batteriepacks nicht mehr gangbar ist: Das Retrofitting,
weise für Lithium-Eisenphosphat- oder Lithiumtitanat-Akku- also das Einpassen der Batterie in eine bestehende Fahrzeug-
mulatoren, deren Kinetik eher langsam ist. Hier können Nano- architektur ist ein ständiger Kampf um Platz. Viel sinnvoller ist
partikel Abhilfe schaffen. Bei vielen anderen Zellchemien zeigen es, das Auto um einen fertigen Batteriepack herum aufzubauen.
Nanopartikel jedoch Nachteile wie vermehrte Seitenreaktionen, Das Problem beim Retrofitting sind nicht die Zellen, es ist das
die zur Generation von Gasen wie C2H4, Wasserstoff, Sauerstoff Assembly und vor allem die Verkabelung, die nicht nur sehr zeit-
und Kohlendioxid führen können (Bild 2). aufwändig, sondern vor allem teuer ist. Damit lassen sich also
Dies stellt ein potenzielles Sicherheitsrisiko für die Zelle dar. die Kosten für ein batterielektrisches Fahrzeug nicht weiter sen-
Schwierig gestaltet sich auch das Engineering derartiger Batte- ken. Beim MEB-Konzept entfernt der OEM den gesamten her-16 Märkte + Technologien Advanced Battery Power emobility tec 02/2019
Bild 3: Nicole Ahner
Bild 4 : Webasto
Bild 3: MEB heißt das Konzept für die Fahrzeugelektrifizierung von VW. Bild 4: Ohne aktives Thermomanagement erreichen Batterien nicht ihre
Das Batteriepack ist flexibel hinsichtlich der Zelltypen und nimmt sowohl höchste Lebensdauer. Webasto setzt bei der Entwicklung seiner Konzepte
Pouchzellen als auch prismatische Typen auf. daher verstärkt auf thermische Simulationen.
kömmlichen Antriebsstrang, vergrößert den Radstand und setzt na sowie in Australien im Blickpunkt, um sich den Zugang zu
die Sitze weiter nach oben, um Platz für die Batterie zu schaffen. Rohmaterialien wie Nickel, Cobalt und Lithium offen zu halten.
Derartige Architekturveränderungen dauern in etwa vier Jahre,
sodass nach Beginn der Arbeiten in 2015 das Konzept nun mit NICHTS GEHT OHNE THERMOMANAGEMENT
dem ID vor der Serienreife steht. Mit MEB verfügen die E-Fahr- Wie wichtig ein ausgewogenes aktives Thermomanagement für
zeuge nicht nur über mehr Platz für Passagiere, sondern es ist die Fahrzeugbatterie ist, zeigte Dr. Hartung Wilstermann von
skalierbar bezüglich der Reichweite (von 300 km WLPT auf über Webasto in seiner Keynote. Das Unternehmen hat sich in den
550 km WLPT) und lässt sich wesentlich schneller und unkom- letzten Jahren die kundenspezifische Entwicklung von Batterie-
plizierter herstellen. packs auf die Fahnen geschrieben und legt neben dem Crash-
Das rechteckige Batteriepack besteht aus den Zellcontrollern Schutz mit robusten Aluminium-Extrusionsprofilen viel Wert
mit Sensorik für das Balancing, verteilt in einem zentralen Kanal auf das Balancing sowie das Wärmemangement in seiner Vehicle
in der Mitte sowie den Kontaktierungen, Stromsensoren, Siche- Interface Box (VIB). Das Konzept verfügt über ein externes Kühl-
rungen und der Ground-Fault-Detection am hinteren Ende. Zwi- system, das für eine gleichmäßige Wärmeverteilung im Batterie-
schen den Zellen befinden sich Crossbars, die für die notwendi- pack sorgt und so die Lebensdauer des Energiespeichers deutlich
ge Sicherheit im Falle eines Aufpralls sorgen. Untergebracht ist erhöht. Webasto setzt dabei auf thermische Simulationen, um die
die Batterie in einem Aluminiumgehäuse mit integriertem Kühl- geeignete Konfiguration für den jeweiligen Anwendungsfall zu
und Heizsystem. Flexibel zeigt sich das Konzept auch hinsicht- finden (Bild 4). So befinden sich zum Beispiel bei Nutzfahrzeu-
lich der Zelltypen: es lassen sich sowohl Pouch- als auch pris- gen wie Elektrobussen die Batterien nicht immer im Bodenbe-
matische Zellen verbauen (Bild 3). reich, sondern auch auf dem Dach und benötigen daher ein völlig
anderes Konzept für Kühlung und Heizung.
EIGENE ZELLHERSTELLUNG NICHT AUSSGESCHLOSSEN Das aktive Batteriemanagement-Modul von Webasto sorgt für
Volkswagen weitet seine Aktivitäten auch in Richtung Zellent- eine Homogenisierung der Temperaturen im Batteriepack, lässt
wicklung aus und hat ein Center of Excellence für Batteriezel- sich flexibel positionieren und reduziert dadurch die Komplexi-
len ins Leben gerufen. Dieses soll zunächst das grundlegen- tät bei der Integration (Bild 5). Das Modul ist für Systeme für bis
de Know-how und die entsprechende Infrastruktur aufbauen, zu 870 V geeignet und könnte in Zukunft auch CO2 als Kühlme-
wobei der Fokus eindeutig auf der Lithium-Ionen-Technologie dium nutzen.
liegt. Aber hier sollen auch neue Generationen an Batterien
erforscht und entwickelt sowie die Grundlagen für eine mögli- DIE ZUKUNFT DER BATTERIE IN EUROPA
che Zellherstellung gelegt werden. Was die Zukunft für die Batterietechnologie in Europa bringen
Es ist laut Ullrich nicht auszuschließen, dass VW tatsächlich soll, zeigte Prof. Kristina Edström von der Universität Uppsala
in die Zellherstellung einsteigt; zu Beginn sollen die Aktivitäten anhand der Forschungsinitiative Battery 2030+. Die Initiative
aber darauf abzielen, Batteriekonzepte zu entwickeln, die dann ist auf die langfristig angelegte Grundlagenforschung ausgelegt
an den Zellhersteller zur Großserienproduktion gehen. Trotzdem und sieht sich als Ergänzung zu den mittelfristigen Forschungs-
legt VW mit einem neuen Fokus viel Wert darauf, die Kontrolle vorhaben innerhalb des Förderprogramms Horizon 2020 der
über die gesamte Wertschöpfungskette zu behalten und hat nun Europäischen Union und der auf industrielle Umsetzung aus-
auch den Minenbetrieb in Südamerika, in der DR Kongo, in Chi- gerichteten European Battery Alliance. Battery 2030+ hat sich dieemobility tec 02/2019 Märkte + Technologien Advanced Battery Power 17
Bild 6: Nicole Ahner
Bild 5: Webasto
Bild 5: In Nutzfahrzeugen ist die Temperierung der Batterien schwierig, Bild 6: Battery 2030+ ist eine Forschungsinitiative, die mit langfristig ange-
denn sie befinden sich am Boden und auf dem Dach. Mit frei platzierba- legten Projekten die europäische Technologie-Führerschaft auf bestehen-
ren Modulen fällt die Integration weniger komplex aus. den und aufkommenden Märkten unterstützen will.
Erfindung der Batterie der Zukunft auf die Fahnen geschrieben
Autorin
und will der Industrie über die gesamte Wertschöpfungsket-
Dr.-Ing. Nicole Ahner
te bahnbrechende Technologien zur Verfügung stellen (Bild 6). Redakteurin emobility tec
Damit will die Initiative die europäische Technologie-Führer-
schaft in existierenden (Transportwesen, stationäre Speicher)
und in aufkommenden Märkten (Robotik, Aerospace, Medizin-
geräte, IoT) sichern. //
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Magnesium als Alternative im Fokus
Aufbruch ins Post-Lithium-Zeitalter
In der Erdkruste 3000-mal häufiger vertreten als Lithium, zudem eine höhere Energiedichte und mehr Sicher-
heit, da sich an der Anode keine Ablagerungen bilden: Das sind einige der Vorteile von Magnesium als Batte-
riematerial. Im Forschungsprojekt E-Magic, an dem unter anderem das KIT beteiligt ist, soll die Entwicklung der
Magnesium-Schwefel-Batterie entscheidend vorangetrieben werden. Dies könnte nicht nur ein Weg aus der
Rohstoffproblematik sein, sondern auch zum Aufbau einer konkurrenzfähigen europäischen Batterieprodukti-
on. Doch bis dahin sind noch einige Hindernisse aus dem Weg zu räumen. Autor: Michael Nallinger
K EY WORDS „Wir sind auf einem
Magnesium-Batterie / Li-Ionen-Batterie / POLIS / Energiedichte guten Weg. Vor fünf
Jahren waren wir
Auf dem Batterieforum Anfang 2019 in Berlin wurde klar, noch nicht halb so weit
wohin langfristig die Reise geht: Wir müssen Alternativen wie jetzt.“
zur derzeit dominierenden Li-Ionen-Technologie finden. Neben
der Verfügbarkeit der Rohstoffe, liegt dies auch an den problema-
tischen Abbaubedingungen. „Daimler will raus aus Kobalt, VW Professor Maximilian Fichtner zum Thema Magnesium-Batterie
aus Kobalt und Nickel. Wir müssen Alternativen finden“, hat Pro-
fessor Maximilian Fichtner, der stellvertretende Leiter des Helm- Dollar benötigt, weiß Prof. Fichtner, der deshalb betont: „Es ist
holtz-Instituts Ulm (HIU), als Besucher der Veranstaltung mit- alles willkommen, was den Druck aus der Situation rausnimmt.“
genommen. Zudem bewertet die Europäische Union neben die- Denn die Welt besteht ja nicht nur aus Fahrzeugbatterien, son-
sen Elementen auch Graphit und Kupfer als kritische Rohmate- dern etwa auch aus stationären Energiespeichern. Gerade dort
rialien. Und auch beim Hauptträger der Technologie, dem Lithi- werde „richtig viel Material benötigt“, so Fichtner, der auch Spre-
um, könnte es im Zeithorizont von etwa 30 Jahren in punkto cher des Exzellenzclusters POLIS (Post Lithium Storage) ist.
Ressourcen eng werden, wenn sich die Produktionskapazitäten
für die Li-Ionen-Akkus so entwickeln wie prognostiziert. Exper- MAGNESIUM-SCHWEFEL-ZELLE
ten rechnen mit einer Ausweitung der produzierten Speicherleis- Bei diesen Rahmenbedingungen ist klar, dass die Unternehmen
tung von heute 70 bis 80 GWh auf 1300 GWh im Jahr 2030. mit Hochdruck nach Alternativen suchen, wobei die Magnesium-
Die dahinterstehenden Investitionen sind gigantisch. Für die Schwefel-Zelle besonders viel Potenzial bietet. Eine solche Batterie
Herstellung von zehn Millionen E-Fahrzeugen würden, aufgrund hätte im Vergleich zur konventionellen Lithium-Ionen-Variante
des hohen Materialbedarfs, Mining Capabilities genannte Berg- entscheidende Vorzüge. So ermöglicht Magnesium als Anoden-
bau-Kapazitäten in einem Umfang von 50 bis 100 Milliarden US- material eine höhere Energiedichte und ist zudem deutlich siche-
Bild: ©Om Yos - stock.adobe.comemobility tec 02/2019
Besondere Zellen wurden für Leistungs-, Zyklen- und Alterungstests unter
definierten thermischen Randbedingungen in einen Batteriezyklierer
eingesetzt.
rer. Hinzu kommt die weitaus bessere Verfügbarkeit. Magnesium E-MOBILITY
rangiert unter den häufigsten Elementen der Erde auf Platz acht
und ist damit etwa 3000 Mal so häufig vertreten wie Lithium.
Der Ulmer Forscher hat dies im Blick, wenn er aus dem Fens- PerforMore – a key link
for high power transfer
ter schaut, denn das Dolomitgestein der Schwäbischen Alb
besteht zu etwa einem Fünftel aus diesem Element. Dies macht
den Einsatz auf der einen Seite zwar deutlich günstiger, aller-
dings ist es, wie bei Lithium, ein energieintensiver Prozess, das
Leichtmetall batteriefähig zu machen. Der neue zweipolige PerforMore-Steckverbinder in ge-
„Magnesium ist ein vielversprechendes Material und einer der winkelter Ausführung für größtmögliche Freiheit: Dank
wichtigsten Kandidaten unserer Post-Lithium-Strategie“, betont des kompakten Designs und der hohen Dichtheit (IP69)
Prof. Fichtner. Jedoch gibt er auch zu bedenken, dass sich die ist der Steckverbinder an verschiedensten Schnittstel-
Entwicklung noch im Forschungsstadium befindet. Man habe len im Antriebsstrang einsetzbar. Die leistungsstarken
das dahintersteckende große Potenzial erkannt, und jetzt gelte 10 mm Kontakte übertragen Dauerströme von 400 A
es, dieses Potenzial zu erschließen, gibt er die Order aus.
mit minimalem Leistungsverlust. Eine hochwertige 360°
Schirmung garantiert ausreichende Dämpfung selbst
E-MAGIC
bei hohen Frequenzen. Das einzigartige, zweistufige
Genau das haben sich die Partner im Forschungsprojekts
Verriegelungssystem ermöglicht eine leichte und schnel-
„E-Magic“ auf die Fahnen geschrieben. Das von der Europäi-
schen Union (EU) im Rahmen des Programms „Horizon 2020“ le Installation bei gleichzeitig sicherem, da verzögertem
mit über 6,5 Millionen Euro geförderte Vorhaben ist auf vier Jah- Trennvorgang.
re angelegt. E-Magic bündelt die Expertise von insgesamt zehn
wissenschaftlichen Einrichtungen, darunter des HIU als Teil des Compactness and performance redefined
Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Die Projektkoordina-
tion obliegt der spanischen Fundacion Cidetec. Besuchen Sie uns:
Der Ansatz ist breit angelegt und umfasst alle Schritte zur Ent- Electric & Hybrid Vehicle Technology Expo Europe
wicklung der Magnesium-Batterie von der Grundlagenforschung 07. - 09. Mai 2019 | Stuttgart | Stand 314
bis zu den Prozessen bei der Zellproduktion. Das HIU kümmert
sich vor allem darum, die Herausforderungen auf der Material-
www.staubli.com/electrical
Ebene zu verstehen und neue Lösungen zur Beseitigung der Hin-
dernisse zu schaffen. Denn wenn sich die Magnesium-Batterie
einmal als ernstzunehmende Alternative etablieren soll, dann
müssen noch einige Hürden aus dem Weg geräumt werden. Prof.
Fichtner fasst die wichtigsten Aufgaben so zusammen: höhere
Zyklenstabilität und Lebensdauer, höherer Wirkungsgrad, und
die Batterien schneller machen. Hier sollen möglichst schon bei
E-Magic wesentliche Fortschritte erzielt werden.
Dabei sind die Herausforderungen jeweils sehr unterschiedlich
gelagert. Ein großes Manko liegt darin begründet, dass die Zel-
Staubli is a trademark of Stäubli International AG, registered in Switzerland and other
countries. © Stäubli 2019 | Photocredits: Shutterstock_102340973820 Märkte + Technologien Mg-Batterien emobility tec 02/2019
len auf Magnesium-Basis noch zu schnell abbauen. Während
aktuelle Li-Ionen-Akkus teilweise mehrere tausend Be- und Ent- Mitarbeiter des HIU montieren
ladevorgänge bewältigen, schafft die Magnesiumzelle aktuell Magnesium-Batterien unter Argon-
Schutzgas an Handschuhboxen.
gerade einmal etwa hundert bis ihr die Energie ausgeht.
Auch der Wirkungsgrad, mit 60 bis 65 Prozent auf dem Niveau
einer Bleibatterie, ist derzeit noch unzureichend. Dies liegt vor
allem an der Magnesium-Anode. Bei Ladevorgängen können
sich dort dünne Ablagerung an der Oberfläche bilden. Diese sind
potenziell dafür verantwortlich, dass manche Prozesse gebremst
werden und so der Wirkungsgrad leidet. Die Frage ist, wie sich
die Bildung dieses dünnen Häutchens verhindern lässt. Eine
Option wäre, einen Zusatzstoff in den Elektrolyten zu geben, der
die Oberfläche der Anode freihält.
Als Problemfall gilt auch noch die Kathode – eine Mischung aus
einem „clever designten Komposit aus Kohlenstoff und Schwefel“
(Fichtner). Auch Schwefel ist im Sourcing völlig unkompliziert, da
er in Entschwefelungsanlagen im Megatonnenmaßstab anfällt.
Doch auch hier steckt der Teufel im Detail. Schwierigkeiten treten
Bilder: Helmholz-Institut Ulm
nämlich dann auf, wenn Schwefel anfängt, elektrische Ladungen
zu speichern und sich eine bestimmte Zwischenstufe im Elektro-
lyten löst, sodass es zum sogenannten Ausbluten der Kathode
kommt. Beim HIU vermutet man, dass dies auch der Grund für
die begrenzte Zyklenstabilität sein könnte, da die Kapazität der
Kathode langsam abnimmt. Eine mögliche Antwort wäre der Ein- wesentlich größer. Da Lithium aus Sicherheitsgründen in Gra-
bau chemischer Barrieren, die den Schwefel zurückhalten. phit eingelagert werden muss, leidet die Speicherfähigkeit weiter,
sodass am Ende das Anodenmaterial aktueller Li-Ionen-Akkus
lediglich auf 830 mAh/cm3 kommt. Hintergrund des Graphitein-
„Magnesium ist ein vielversprechendes satzes ist es, die Bildung kritischer Ablagerungen an den Ano-
den von Li-Ionen-Batterien zu verhindern. Bei reinem Lithium
Material und einer der wichtigsten Kandi- können sich bei fortgesetztem Be- und Entladevorgängen Den-
daten unserer Post-Lithium-Strategie.“ drite genannte nadelartige Strukturen bilden. Wenn diese Den-
drite durch die Zelle wachsen, ist in der Folge ein Kurzschluss
möglich, in dessen Folge im Extremfall der Elektrolyt verdampft
Maximilian Fichtner, HIU beziehungsweise verbrennt und das Ganze in einer Explosion
endet. Diese Gefahr gibt es bei Magnesium-Zellen nicht, da erst
Am stabilsten ist bislang der Elektrolyt, der mit einem am HIU gar keine Dendriten entstehen.
entwickelten Leitsalz auf Magnesium-Bor-Basis arbeitet. Zu Auf der Habenseite steht zudem die theoretische Energiedich-
kämpfen haben die Forscher jedoch mit einer gewissen Trägheit te, die pro Volumeneinheit bei einer Magnesium-Schwefel-Zel-
von Magnesium. Aufgrund seiner zwei Ladungsträger „ist es in le gegenüber der Lithium-Variante etwa dreimal höher ist. Dies
der Beweglichkeit etwas gehemmt“, berichtet der Leiter Festkör- sorgt auch dafür, dass die Gesamtbatterie bei gleicher Leistung
perchemie am HIU. Dies wird insbesondere dann zum Problem, wesentlich kompakter wäre – ein unter Automotive-Gesichts-
wenn es sich wie in der klassischen Li-Ionen-Batterie in einen punkten schlagendes Argument. Dies gilt auch für die bessere
Festkörper einlagern soll. „Dann hängt es sich an bestimmte Recyclingfähigkeit. Nach einer thermischen Verwertung gestal-
Plätze und kommt nur noch schwer voran“, beschreibt Fichtner, tet sich die Extraktion von Magnesium sowie seine Rückführung
der dies als schwierigste Aufgabe bei der Entwicklung der Mag- in die metallische Form deutlich einfacher als die von Lithium.
nesium-Batterie bezeichnet. „Hier muss man völlig neu denken. In der Summe sprechen somit wesentliche Pluspunkte für den
Wir umgehen das durch Verwendung des sogenannten Konver- Newcomer, denn die eigentliche Geschichte der Magnesium-
sionsprinzips. Dabei initiieren wir eine chemische Reaktion mit Schwefel-Zelle reicht ja kaum zehn Jahre zurück. HIU-Direktor
dem Schwefel, sodass sich beide direkt chemisch verbinden“, Fichtner ist sich sicher, dass sich auf dieser Basis schrittweise
erläutert der Chemiker einen eingeschlagenen Lösungsweg. Verbesserungen entwickeln lassen. Deshalb fällt sein Ausblick
auch positiv aus: „Wir sind auf einem guten Weg. Vor fünf Jahren
MAGNESIUM OHNE DENDRITPROBLEM waren wir noch nicht halb so weit wie jetzt.“
Die Forscher bauen jedoch vor allem auf die positiven Eigen- Wichtig sei, dass noch keine Sackgasse erkennbar ist, also eine
schaften von Magnesium. So verfügt das Metall mit rund 3800 derzeit nicht lösbare Problemlage, an der die Reise der Mg-S-
mAh/cm3 über eine deutlich höhere Speicherkapazität als rei- Batterie zumindest vorerst zu Ende wäre. Der Chemie-Professor
nes Lithium (2060 mAh/cm3). In der Praxis ist der Abstand noch verweist hier auf den „40-jährigen Zickzack-Pfad“, den die Li-emobility tec 02/2019 Märkte + Technologien Mg-Batterien 21
große Batteriezelle? Wie hoch sind dann die Herstellungskosten
inklusive Engineering? Inwieweit lässt sich auf Standardprozes-
se zurückgreifen? Prof. Fichtner warnt davor, zu früh „Hurra zu
schreien“. Dies solle man erst tun, wenn alle Hürden genommen
sind. Dabei gibt er zu bedenken: „Es ist ein Riesenunterschied,
eine Batteriezelle im Labormaßstab im Bereich von einem Qua-
dratzentimeter herzustellen oder im technischen Maßstab von
500 Quadratzentimetern.“ Bei diesem Übergang multiplizierten
sich die Wahrscheinlichkeiten, dass Fehler auftreten, gewaltig.
Dabei verweist er auf die Lithium-Luft-Batterie, der einmal
eine Marktreife im Zeitraum von 2020 bis 2025 vorhergesagt
wurde. Seine rhetorische Frage dazu lautet: „Haben Sie von die-
ser Technologie noch einmal etwas gehört?“
AUSBLICK
Trotz des Vorsprungs der Asiaten bei der Herstellung von Li-
Ionen-Akkus rät der Chemie-Professor dazu, zweigleisig zu fah-
ren und somit in Europa sowohl auf die Weiterentwicklung der
Lithium-Technologie als auch auf deren potenzielle Nachfolger
zu setzen. „Schließlich wissen wir ja nicht, wo man am Ende
landet“, lautet sein Argument. Bei Lithium sei bekannt, dass dies
funktioniere. Deshalb sei es logisch, hier weiter zu entwickeln.
In diesem Zusammenhang findet er ausdrückliches Lob für
Ionen-Batterie hinter sich hat. „Die Entwicklung war auch dort die Politik. Durch die gezielte Förderung habe man es in kurzer
alles andere als geradlinig“, bilanziert Professor Fichtner. Meh- Zeit geschafft, die Batterieforschung hierzulande von der Bedeu-
rere Male sei das Konzept komplett umgeworfen worden. tungslosigkeit, an der sie noch rund um die Jahrtausendwende
stand, in die vorderste Reihe weltweit zu bringen. Ob dies aber
IN ZEHN JAHREN MARKTREIFE? reicht, die Dominanz der asiatischen Produzenten zu brechen,
Angesichts dieser Zeiträume ist sicherlich nicht damit zu rechnen, wird die Zukunft zeigen müssen, denn hier ist auch eine aktive
dass die Magnesiumzelle nach Ende von E-Magic in vier Jahren Beteiligung der deutschen Industrie gefragt. (av) //
schon Richtung Marktreife kommt. Diese taxiert Fichtner vorsich-
tig auf etwa zehn Jahre, da beim Übergang vom Labor in in die
Autor
Fertigung unter anderem folgende Fragen zu klären sind: Lassen Michael Nallinger
sich die benötigten Materialien im Tonnenmaßstab herstellen und Fachjournalist in Hohenbrunn bei
haben sie dann die gleichen Eigenschaften? Wie sicher ist eine München
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