Wie sicher ist Lithium-Ionen-Technik?

Spezial | Energie von Morgen

Forschung - Die Bundesregierung fördert die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien, die auch Autounfällen standhalten und dauerhaft betriebssicher sind. Denn sichere Batterien sind das A und O der Elektromobilität.

05. November 2013

Die Batteriesicherheit ist der Schlüssel zum Erfolg oder Misserfolg der Elektromobilität. Dass ergab eine Untersuchung der Beratungsgesellschaft Roland Berger und der Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen in Aachen. Der sogenannte E-Mobility-Index vergleicht die Wettbewerbsposition der sieben führenden Automobilnationen im Bereich Elektromobilität. Technologie, Industrie und Markt werden hier als Indikatoren unter die Lupe genommen.

Bundesregierung fördert batterie-Forschung

Die Bundesregierung fördert die Batterie-Forschung unter anderem im Rahmen des sogenannten Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM), das vom Bundeswirtschaftsministerium betreut wird. Eine der teilnehmenden Forschungsgemeinschaften besteht unter anderem aus der BTU Cottbus und dem Berliner Ingenieurbüro Celono. Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung und prototypische Realisierung eines Elektronik- und Sicherheitssystems mit Leichtbauqualitäten.

Die Forscher mussten sich sowohl der Entwicklung eines Batterie-Baukastensystems als auch einem nachvollziehbaren Prinziptauglichkeitstest stellen. Die Realisierung in Form eines Prototyps beinhaltete dabei sowohl die simulative als auch ansatzweise die experimentelle Verifikation. »Die Forschungsergebnisse und der Prototyp stehen Automobilherstellern und Systemintegratoren jetzt als Basis für entsprechende Technologie- und Bauteilangebote zur Verfügung«, sagt Thomas Forchert von Celono. Um einen möglichst großen Kundenkreis ansprechen zu können, wurde die Entwicklung markenübergreifend angelegt, so Forchert.

»Das Baukastensystem wurde so aufgebaut, dass das Kernmodul für alle Fahrzeugtypen das gleiche ist. Lediglich durch verschiedene Adapter erfolgt die Anpassung an den jeweiligen Fahrzeugtyp.« Durch die Modularisierung des Batteriekastens wird laut Forchert außerdem der Aspekt der Zugänglichkeit und Reparaturfähigkeit berücksichtigt. Generell bestehe aber auch die Möglichkeit, diese Konzeptlösung auf Hybridbusse, Bahnen, Nutzfahrzeuge bis hin zu Flugzeugen abzustimmen, so Forchert.

Das Projektergebnis umfasst ein Sicherheits- und Elektronikkonzept, dass die Batterie vor den Konsequenzen eines Kurzschlusses in Folge eines Unfalls oder eines Brandes einer oder mehrerer Lithium-Ionen-Zellen bewahrt.

Batterie muss den Crashtest überstehen

Der für die Fahrzeugzertifizierung vorgeschriebene Side-Pole Impact Crashtest, welcher den seitlichen Aufprall des Fahrzeugs auf einen Masten oder Baum simuliert, wurde berücksichtigt. Wesentliche Projektergebnisse sind neben der Auswahl und Erprobung eines geeigneten Lösch- und Brandschutzmittels dessen Integration in ein Kunststoffgehäuse sowie die Erarbeitung einer Methodik für die Auslegungsberechnung der Brandschutzmaßnahmen für Lithium-Ionen-Hochleistungszellen.

»Im Rahmen der vertieften Beschäftigung mit den Potenzialen von Hohlglasgranulat für den präventiven Brandschutz von Lithium-Ionen Zellen konnten völlig neue wissenschaftliche und praktische Erkenntnisse gewonnen werden«, so Forchert. Der Einsatz von sogenanntem Hohlglasgranulat zur Bekämpfung von kritischen Zuständen in Batteriezellen ist nach Angaben des Diplomingenieurs zum Patent angemeldet.

Safety First für Insassen im Elektroauto

Das Ausgangsszenario der Forschergruppe war ein elektrischer Antrieb, wie er unter anderem in Hybrid-Plug-in-Hybrid- und Elektrofahrzeugen eingebaut wird.

Der Fokus lag auf der Gestaltung eines modularisierten Batteriegehäuses, das insbesondere auf Crash- und Brandfestigkeit ausgelegt ist.

Die Autoren des E-Mobility-Index sehen das Thema Elektromobilität bis auf Weiteres allenfalls als Nischenmarkt für die etablierten Autohersteller. Trotz technologischer Reife und optimierter Kosten-strukturen fallen die Produktionsprognosen für Elektroautos und Plug-in-Hybridfahrzeuge pessimistisch aus. Der Index zeigt, dass die Herstellung von Elektrofahrzeugen für Original Equipment Manufacturer (OEM) immer noch finanziell unattraktiv ist.

»Beim Verkauf von Elektrofahrzeugen realisieren Automobilhersteller viel geringere Deckungsbeiträge als beim Verkauf von Autos mit konventionellem Antrieb«, sagt Wolfgang Bernhart, Partner von Roland Berger Strategy Consultants. »Denn die Total Cost of Ownership der Elektroautos, gerechnet über die Nutzungsdauer, ist deutlich höher als bei konventionellen Fahrzeugen.«

Gesamtkosten für E-Auto teurer als angenommen

Mehrkosten, die so für die Produktion von Elektro- und Hybridfahrzeugen entstehen, schrecken OEM davon ab, diese in Großserie herzustellen. Eine Problematik, die sich noch negativer auf den Markt für Elektromobilität auswirken könnte, sollten die USA ihre Fracking-Projekte weiter ausbauen. »Die Ölgewinnung mit Hilfe der Fracking-Technologie könnte den Ölpreis in den kommenden Jahren stabilisieren«, sagt Roland-Berger-Partner Thomas Schlick.

»Dies würde den Kostennachteil alternativer Antriebe noch weiter verstärken.« Die Kundenakzeptanz von E-Autos hängt neben der Kostenattraktivität maßgeblich von der Sicherheit der angebotenen Fahrzeuge ab. Dabei stellen insbesondere die in der Mehrzahl der derzeit am Markt verfügbaren Autos verwendeten Lithium-Ionen Energiespeicher eine potenziell sicherheitskritische Komponente dar.

Zum passiven Schutz der Batteriesysteme vor mechanischen Belastungen und damit zur Vermeidung kritischer Auswirkungen von Unfällen setzen die OEM in der aktuellen Fahrzeuggeneration in der Regel steife Sicherheitsstrukturen ein, welche das Fahrzeuggewicht erhöhen und damit die für den Kunden wichtige Reichweite der Fahrzeuge reduzieren.

Uwe Manzke

Erschienen in Ausgabe: 09/2013