Design- und Testansätze für mehr Batterie-Reichweite und -Lebensdauer

Die Batterien für Elektrofahrzeuge sind eine der entscheidenden Automobiltechnologien, die erfolgreich skaliert haben, um den Boom der Elektromobilität zu tragen. Ein durchschnittliches Batteriepack für Elektrofahrzeuge kostete im Jahr 2022 153 US-Dollar/kWh – das ist ein Preisrückgang von 90 Prozent über einen Zeitraum von 15 Jahren. Die Automobilindustrie geht davon aus, dass die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Zellen bis zum Ende dieses Jahrzehnts jährlich um etwa 33 Prozent auf 4700 GWh steigen wird.

Kostengünstigere Batterien für Elektrofahrzeuge werden dazu beitragen, die Preisgleichheit zwischen Elektrofahrzeugen und Autos mit Verbrennungsmotor schon früher zu erreichen. Allerdings ist es eine ständige Herausforderung, die Batteriekosten unter Kontrolle zu halten, da die Kosten für Rohstoffe, Lieferkette und Energie steigen und die Zellherstellung ein energieintensiver Prozess ist.

Technologische Neuerungen spielen bei Elektrofahrzeug-Batterien eine große Rolle beim umgekehrten Verhältnis zwischen fallenden Preisen und steigender Nachfrage. Abgesehen vom Kostendruck muss sich die Batterietechnologie weiter entwickeln, um das dynamische Ökosystem der E-Mobilität zu unterstützen.

Bild 1 gibt einen Überblick über das Ökosystem der Elektromobilität und zeigt, wie sich die Entwicklung des Ökosystems auf die Batterie auswirkt. Auf der rechten Seite müssen sowohl die Automobilhersteller als auch die Batterieentwickler Elektrofahrzeug-Batterien entwickeln, die den Erwartungen der Verbraucher nach größeren Reichweiten entsprechen. Auf der Makroebene werden Batterien mit höherer Kapazität und längerer Lebensdauer die Integration der Fahrzeugelektrifizierung in reale Anwendungen für eine Batterie-Kreislaufwirtschaft unterstützen, um Abfall und Umweltverschmutzung zu reduzieren.

Die linke Seite in Bild 1 zeigt einen Überblick über das sich entwickelnde intelligente Stromnetz, das den Wandel der Elektrofahrzeug-Batterie von einer reinen „Senke“, die Energie von Ladestationen bezieht, zu einer bidirektionalen Vehicle-to-Grid- (V2G) fähigen Stromquelle beeinflusst.

Elektrofahrzeug-Batteriezellen gibt es in verschiedenen Formen: zylindrisch, in Pouch-Form und prismatisch. Grundsätzlich sind die anfänglichen Entwicklungsphasen jedoch ähnlich, unabhängig von den Formfaktoren. Zellentwickler müssen die Zellchemie und die Materialien in Forschung und Entwicklung charakterisieren, auswählen und optimieren.

Die Erfüllung der Erwartungen an eine größere Reichweite, schnellere Aufladung und zukunftsfähige V2G-Funktionen beginnt auf der Ebene der Batteriezellenchemie. Je nach den Spezifikationen für die Batterieleistung müssen die Zellentwickler analysieren, wie die einzelnen elektrochemischen Cocktails funktionieren werden (siehe Beispiele in Bild 2).

Ein aktuelles Batterietestlabor muss Tausende Zellen gleichzeitig testen und die tatsächliche Leistung verschiedener Zelldesigns genau messen, um festzustellen, ob sie die Design-Ziele erfüllen (siehe Bild 3).

Beim Design und Testen von Batterien muss der Verantwortliche für das Batteriedesign berücksichtigen, wie er mit den verschiedenen Testparametern für unterschiedliche Anwendungen jonglieren kann, wenn die Zellen schließlich zu Modulen und Packs zusammengesetzt werden, um die vorgesehenen Fahrzeuge anzutreiben. Die Anwendungen reichen von Zweirädern bis hin zu Limousinen, SUVs und Schwertransportern. Die Batterien für die einzelnen Endanwendermärkte werden für unterschiedliche Anforderungen entworfen und erfordern unterschiedliche Testaufbauten. Daher muss die Testumgebung in der Lage sein, die erforderlichen Spannungen, Kanäle und Sicherheitsanforderungen zu unterstützen (siehe Bild 4).

Die folgenden Tests müssen durchgeführt werden, um die Leistung der Batterie auf Zell-, Modul- und Pack-Ebene zu überprüfen:

• Messungen bei verschiedenen Temperaturen, um den wechselseitigen elektrischen und thermischen Einfluss der Zellen zu untersuchen.
• Kontrolle der mechanischen Verbindungen und der Leistung des Moduls.
• Kommunikation mit dem Batteriemanagementsystem des Fahrzeugs.

Zunehmende Bedeutung des automatisierten Managements im Batterietestlabor

Bild 5 zeigt eine einfache Visualisierung der verschiedenen Rollen und Aufgaben in einem Batterietestlabor. Angesichts der großen Anzahl von Prüflingen können sich Laborleiter bei der Verwaltung eines modernen Batterietestlabors nicht mehr auf die manuelle Protokollierung und Tabellen verlassen.

Die Automatisierung von Laborabläufen ist nicht nur für ein effizientes Zeit- und Ressourcenmanagement wichtig, sondern auch für die Kontrolle und Rückverfolgbarkeit sowie für die Verbesserung des Testdurchsatzes. Bei weitläufigen Einrichtungen und verschiedenen Standorten ermöglichen Cloud-basierte Tools zur Verwaltung des Laborbetriebs Transparenz und kontrollierten Zugriff auf den Stand der Batterietestvorgänge. Die von den Prüflingen gesammelten Testdaten können auch zur Verbesserung von Design-Iterationen verwendet werden.

Sicherstellung der Qualität vom Entwurf bis zur Produktion

Sobald das neue Design der Batteriezelle bereit ist, geht es in die Massenproduktion, die sich rasch weiterentwickelt. Laut einer McKinsey-Studie wird der Weltmarkt, wenn die Nachfrage nach Batteriezellen weiterhin jährlich um 30 Prozent steigt, ausgehend von der derzeitigen Kapazität weitere 90 Gigafabriken benötigen, um die Elektrifizierung von Fahrzeugen im nächsten Jahrzehnt zu unterstützen.

Während Amerika und Europa zu China und Korea aufschließen, um Batterien für Elektrofahrzeuge näher an ihren Endmärkten zu produzieren, werden Milliarden von Dollar in den Aufbau der Gigafactory-Produktion gesteckt, was ein komplexer Prozess ist, wie in Bild 6 dargestellt.

Es gibt viele Herausforderungen beim Aufbau einer Gigafabrik, darunter Standort, Budget, Zugang zu Rohstoffen, Fertigungssysteme und Personal. Konzentrieren wir uns jedoch auf die Feinheiten des Baus besserer Batterien von der Zellebene an.

In jeder Produktionsumgebung mit hohen Stückzahlen ist der Durchsatz ein wichtiger Gradmesser für die Produktivität. Bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen sind die Phasen der Zellbildung und -alterung am zeitaufwändigsten. Während der Zellalterung müssen die Hersteller die Selbstentladungsrate der Zelle messen, auch wenn sie nicht an ein Gerät angeschlossen ist. Ziel ist es, fehlerhafte Zellen auszusieben, die eine anormale oder übermäßige Selbstentladung aufweisen, da solche „schlechten“ Zellen die Leistung von Modulen und Packs beeinträchtigen.

Eine Zelle kann Tage, Wochen oder Monate benötigen, um ihre Selbstentladungseigenschaften zu zeigen. In einer zeit- und kostensensiblen Produktionsumgebung ist die herkömmliche Art der Überwachung der Selbstentladung über die Zeit jedoch nicht praktikabel.

Neue Messmethode etablieren

Stattdessen verwenden einige Hersteller jetzt eine relativ neue potentiostatische Messmethode zur direkten Messung des internen Selbstentladestroms der Zelle. Diese Methode dauert in der Regel Stunden oder weniger im Vergleich zu der herkömmlichen Methode, bei der man Tage oder Wochen warten muss, um die Selbstentladungsleistung der Zelle zu dokumentieren. So spart sie Zeit und wertvollen Platz für die Lagerung der Zellen für diese wichtige Qualitätskontrolle.

Durch neue Technologien werden leistungsfähigere Batteriezellen entwickelt, die sich schneller aufladen lassen. Diese Zellen müssen einem Zyklus unterzogen werden, bei dem Stichproben der Zellen getestet werden, um die Lebensdauer der Zelle zu bestimmen und festzustellen, wie sich die Ladegeschwindigkeit auf die Lebensdauer der Zelle auswirkt. Da die Zellkapazität schnell zunimmt, müssen Forscher und Hersteller größere Ströme erzeugen und ableiten.

Um den kostspieligen Stromverbrauch zu umgehen, arbeiten heutige Zellcycler mit regenerativem Strom, d. h. der bei der Entladung der Zellen zurückgewonnene Strom wird wieder in das Netz eingespeist, wodurch der Netto-Energieverbrauch gesenkt wird und die Betriebskosten sinken. Dieser Prozess erzeugt auch weniger Wärme in der Elektronik, sodass weniger Wärme aus der Produktionsanlage abgeführt werden muss.

Da die Elektrifizierung von Fahrzeugen weiter an Fahrt gewinnt, müssen Batterieentwickler und -hersteller neue Anforderungen an ihre Batterietestmöglichkeiten vorwegnehmen. Dazu gehört die Planung von Geräten, die höhere Zellkapazitäten und größere Ströme liefern bzw. ableiten können, sowie die Fähigkeit zur Rückspeisung von Energie, um die Betriebskosten zu senken.

Einige Hersteller setzen auch modulare und standortunabhängige „Superchambers“ ein, um die Investitionszeit und -kosten für Batterietests zu reduzieren und gleichzeitig die Möglichkeit zu haben, sie je nach Bedarf schnell einzurichten.

Diese spannenden Neuerungen werden zweifellos dazu beitragen, die Entwicklung und Produktion besserer Batterien voranzutreiben, um die Einführung von Elektrofahrzeugen zu fördern. (na)