Bessere Batterien für Elektroautos

Elektroautos gehört die Zukunft – da sind sich Politik und Autoindustrie einig. Die Bundesregierung will Deutschland als Leitmarkt für Elektromobilität etablieren. Bis 2020 sollen eine Million PKW mit Elektroantrieb auf deutschen Straßen fahren.

Die Startchancen sind gut: Wie der ADAC in einer Umfrage herausgefunden hat, würden sich 74 Prozent der Befragten ein Elektroauto kaufen, wenn es hinsichtlich Kosten, Komfort und Sicherheit keine Abstriche verlangt. Abstriche wollen die Verbraucher auf keinen Fall bei der Reichweite machen. Rund ein Drittel der Autofahrer möchte mindestens 500 Kilometer weit fahren können. Und hier liegt auch die Krux: Zu wenige Ladestationen und geringe Batterielaufzeiten haben bislang verhindert, dass sich die Elektroflitzer durchsetzen konnten. Lithium-Ionen-Akkus, die die meisten Autohersteller verwenden, sind zu schwer, zu teuer und zu schnell leer.

Neue Materialien sollen den Energiespeicher daher in punkto Kapazität, Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Sicherheit verbessern. Doch die Entwicklung solcher Materialien ist zeit- und kostenaufwändig. Im Projekt »Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität« haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern jetzt eine Software zur Simulation von Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, die diesen Prozess beschleunigen und effizienter gestalten soll. BEST, kurz für Battery and Electrochemistry Simulation Tool, heißt die neue Software.

Ein Lithium-Ionen-Akku besteht aus zwei porösen Elektroden, die durch einen elektrolytgefüllten Separator getrennt sind. Beim Laden und Entladen der Batterie werden Lithium-Ionen zwischen den Elektroden ausgetauscht. »Die Leistungsfähigkeit der Batterie hängt von den verwendeten Materialien der Komponenten ab. Diese müssen miteinander harmonieren. Mit unserer Software lassen sich unterschiedliche Materialkombinationen simulieren. So kann man die geeignete Zusammensetzung herausfinden. Das bisherige Testen nach dem Trial-and-Error-Prinzip entfällt«, sagt Dr. Jochen Zausch, Wissenschaftler der Gruppe »Komplexe Fluide« am ITWM.

Den ITWM-Forschern ist es gelungen, die komplette Batteriezelle sowie Transport- und Reaktionsvorgänge der Lithium-Ionen sowohl auf makroskopischer als auch auf mikroskopischer Ebene darzustellen. »Wir können die mikroskopische Struktur der Elektroden anzeigen. Jede einzelne 10 Mikrometer große Pore ist zu sehen. Das leistet keines der derzeit erhältlichen kommerziellen Programme. Auch die Position und die Form der Elektroden ist variierbar«, so Zausch. Indem die Struktur der Elektroden räumlich aufgelöst und dreidimensional dargestellt wird, lassen sich Parameter wie Konzentrationsverhältnisse der Lithium-Ionen, Elektrolytkonzentration und Stromdichte berechnen. Die Berechnungen erfolgen mit einem speziellen, selbst programmierten Finite-Volumen-Verfahren, das die Forscher in die Software integrierten. Die Verteilung des Stromflusses gibt beispielsweise Aufschluss über die Wärmeproduktion in der Batterie. »Hotspots«, die besonders heiß werden und sich entzünden könnten, sind mit der Software schnell aufgespürt. Auch Alterungseffekte lassen sich mit BEST bewerten. Denn die Temperaturentwicklung beeinflusst die Lebensdauer der Akkus. Ziel der Wissenschaftler ist es, das Programm um Alterungsmodelle zu erweitern, die diese Untersuchungen noch weiter vereinfachen.

»Letztendlich soll BEST sowohl Automobilproduzenten als auch Hersteller elektrischer Energiespeicher dabei unterstützen, stabile und sichere Batterien mit höherer Reichweite und zugleich verbessertem Beschleunigungsverhalten zu bauen«, resümiert Zausch. Zu sehen ist die Software auf der Hannover Messe vom 4. bis zum 8. April am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle 2, Stand D22.