Lithium-Polymer-Antriebsbatterien: Gut oder schlecht?

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Eine große und zunehmende Zahl von Antriebsbatterie-Herstellern bietet heute sogenannte Lithium-Polymer-Versionen (LiPo) an. Lithium-Polymer-Batterien werden rasch in immer mehr Anwendungsfeldern eingesetzt. Dazu gehören sowohl elektrische als auch hybride Fahrzeuge für Land, Wasser und Luft. Vor allem Batteriehersteller in Kanada, den USA, Russland, China, Korea und Taiwan sind in diesem Gebiet aktiv.

Zahlreiche Anbieter

Viele der LiPo-Batterien-Hersteller sind vertikal integriert, das heißt sie stellen sowohl die Batteriezellen und -module als auch komplette Batteriepacks her.  Dies trifft auf folgende Unternehmen zu: ABAT, ChinaBAK, Dow Kokam, Electro-Energy, Electrovaya, Kokam, LGChem, LiCo Technology, Lischen, Lithium Energy, Pihsiang Energy Technology, Rusnano/Thunder Sky, SEEO, Thunder Power, Thunder Sky und Xiamen Powerlong Industry.

Vielfältige Anwendungen

Die Vorteile dieser Batterieform werden in ganz unterschiedlichen Fahrzeugen  eingesetzt: Die LiPo-Batterie von ABAT in elektrischen Motorrädern,  die von Dow Kokam in einer Cessna, die auf Hybridantrieb umgerüstet wurde.  Electrovaya hat Batterien in militärische Geländewagen integriert,  Systeme von Kokam werden in einem rein elektrisch betriebenen bemannten Stuntflugzeug der EADS genutzt, LGChem entwickelte LiPo-Antriebsbatterien für verschiedene Hybrid-Serienfahrzeuge, und  Thunder Sky integrierte sie in Busse und autonome Unterwasserfahrzeuge.

Was versteht man unter Lithium-Polymer?

In LiPo-Batterien wird als Separator eine dicke Polymerschicht genutzt, wie zum Beispiel Polyethylenoxid- oder  Polyacrylnitril-Verbunde.  Für Anwendungen bei Raum- beziehungsweise niedrigen Temperaturen werden Polymerkolloide hinzugefügt, so dass die Schichten nicht fest sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bauformen mit flüssigen Elektrolyten und festem Separator sind Leckstellen weniger wahrscheinlich, und laut den Befürwortern der Technologie sollte der Verzicht auf flüssige Materialien die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Batterien vor allem bei höheren Temperaturen verbessern. Die meisten LiPo-Batterien werden in Kissen geliefert – hitzeversiegelte laminierte Plastikbeutel, ähnlich den mit Aluminium beschichteten aus der Lebensmittelindustrie. Das macht sie außergewöhnlich kompakt, die Explosionsgefahr ist sehr gering und sie sind einfach in großen Mengen herzustellen. Die Zellen werden zu Modulen zusammengefasst und Plastik- oder leichtgewichtige Aluminium-Gehäuse können die schweren Stahlgehäuse der traditionellen Lithium-Ionen Antriebsbatterien ersetzen. Der fertige Batteriepack ist immer noch sehr robust gegenüber Druck und Schlägen.

Probleme mit dem Kissenpack?

BMW führte 2010 ausgedehnte Tests von Lithium-Ionen Antriebsbatterien in Kissenform durch und fand vernichtende Anzeichen von Auslaufen des Elektrolyten und Eindringen von Feuchtigkeit. Beide Prozesse können Lebensdauer und Sicherheit der Batterie beeinträchtigen. Die Zeit wird zeigen, ob diese Probleme auch bei den neuesten Produkten auftreten, verbesserte Versiegelungstechniken werden sicher eine entscheidende Rolle spielen. Unabhängig davon bietet ein Großteil der LiPo-Antriebsbatterie-Hersteller flache, prismatische Alternativen an, die auch für andere Bauformen auf Zellen-Ebene geeignet sind. Prismatische Konstruktionen sind sehr kompakte Baugruppen, die auch bei einigen neuen Nass-Lithium-Ionen Antriebsbatterie-Zellen genutzt werden. Schwierigkeiten durch Bewegungen während des Gebrauchs scheinen sowohl bei geschichteten als auch bei prismatischen Zellen überwunden zu sein.

Heutige Anwendungen

LiPo-Batterien werden wegen ihrer Toleranz gegenüber Druck gern in AUV’s (Autonome Unterwasserfahrzeuge) eingesetzt  und in UAV’s (unbemannte Fluggeräte) wegen ihres geringen Gewichtes, aufgrund der nicht notwendigen schweren Metallgehäuse. Sie können sehr dünn sein und verformt werden. Bei einer Kollision von bemannten Leichtflugzeugen darf keine Säure austreten oder gar Explosionsgefahr bestehen. In vielen Landfahrzeugen werden sie aufgrund ihres geringen Gewichtes und ihrer Toleranz gegenüber mechanischen Einwirkungen eingesetzt, aber es gibt noch weitere wichtige Vorteile.

Oft verbinden diese Batterien Erschwinglichkeit und angemessene Leistungsfähigkeit sowie Lebensdauer, da verschiedene Chemiekonzepte und Kompromisse möglich sind, die hochleistungsfähige Feststoffbatterien für Antriebe ermöglichen, aber noch in den Laboren schlummern. Hyundai zum Beispiel verwendet LiPo-Batterien von LGChem in seinen neuen Hybrid-Familien-Autos. Sie haben tausende Stunden mit dem Testen des Hyundai Hybrid Blue Drive LiPo-Batteriesystems verbracht. Die Testergebnisse bestätigten, dass Hyundais LiPo-Technologie gegenüber bereits vorhandenen Systemen eine höhere thermische und mechanische Stabilität ermöglicht, was letztlich eine höhere Sicherheit und bessere Leistung bedeutet.

Lithium Polymer versus Nickel-Metallhybrid

Verglichen mit den Nickel-Metallhybrid Batterien in den besten heute verfügbaren Hybridfahrzeugen  sind die LiPo-Batterien bei der gleichen Antriebsenergie 20 bis 30 Prozent leichter, nehmen 40Prozent weniger Platz ein und haben einen um zehn Prozent besseren Wirkungsgrad.

LiPo-Batterien bieten eine 1,7-mal höhere Energiedichte als Nickel-Metallhybrid-Batterien, was den Ingenieuren bei Hyundai ermöglichte, weniger Platz und Gewicht für die Batterie einzuplanen. LiPo-Batterien halten ihre Ladung 1,25-mal länger. LiPo-Batterien sind außerdem widerstandsfähiger gegenüber Temperaturveränderungen, was sich positiv auf die maximal mögliche Anzahl von Ladezyklen auswirkt. Hinzu kommt, dass die Selbstentladungsrate der LiPo’s  gegenüber der Nickel-Metallhybride weniger als ein Drittel beträgt. Außerdem sind sie im Gegensatz zu Nickel-Metallhybrid-Batterien nicht von Lanthanlieferungen abhängig, die von China kontrolliert werden.

Lithium-Polymer versus Lithium-Ion

Lithium-Polymer-Systeme haben deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Nass-Lithium-Ionen- Antriebsbatterien, einschließlich höherer Energiedichte und geringerer Herstellungskosten. LiPo-Batterien sind widerstandsfähiger gegen mechanische Beschädigungen und erlauben mehr Lade-Entlade-Zyklen, bevor die Speicherkapazität nachlässt. LiPo-Technologie bietet außerdem erhebliche Vorzüge in thermischer Robustheit und Sicherheit.

Herkömmliche Lithium-Ionen Batterien sind einfach in der Handhabung, halten leichtem inneren Druck stand und existieren in verschiedenen Formen bereits seit 1991. Das bedeutet, dass eine Infrastruktur für die Fertigung bereits vorhanden ist und die Vorteile wirtschaftlicher Großproduktion hoch sind („Economy of Scale“). Allerdings haben diese Systeme auch Nachteile: Beispielsweise verringert die typische Zylinderform die erreichbare Packdichte, und sie sind relativ  kompliziert in der Herstellung, da viele kleine Teile benötigt werden, um sie unempfindlicher gegen Temperaturschwankungen zu machen. Dies führt zu zusätzlichen Kosten und Gewicht im Batteriesystem.

Eine hohe Stabilität von Zelle zu Zelle ist sehr kritisch in einem Autobatterie-Pack, denn das Gesamtsystem ist nur so robust wie die schwächste Zelle. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyten haben erhebliche Zell-zu-Zell-Schwankungen, während dessen gut konstruierte LiPo-Batterien hier deutlich besser sind, wie Hyundai als einer der Anwender unabhängig geprüft hat.

Eine weitere ingenieurtechnische Herausforderung bei der Entwicklung des Hyundai Hybrid Blue Drive war die Sicherstellung eines wartungsfreien Batteriebetriebs während der Lebenszeit des Autos. Mindestens 1zehn Jahre und 150.000 Meilen (rund 240.000 Kilometer) bei allen Wetterlagen wurde als Ziel gesetzt. Hitze ist der Feind der Batterielebensdauer, aber Hyundais Wärmebild-Aufnahmen zeigten, um wie viel kühler LiPo-Batterien sein können im Vergleich zu heutigen Nickel-Metallhybrid-Batterien oder herkömmlichen Nass-Lithium-Ionen-Batterien. Verbraucher werden diese Vorteile in der höheren Nutzungsdauer und den niedrigeren Wartungskosten bemerken, so das Unternehmen.

Was kommt als nächstes?

Es liegt nahe zu schlussfolgern, dass der Einsatz von LiPo-Antriebsbatterien in den kommenden Jahren weiter zunimmt. Jede Beurteilung der Vorzüge und Nachteile sollte aber berücksichtigen, dass der Begriff Lithium-Polymer sich lediglich auf eine Form des Elektrolyten bezieht, während die Effizienz und die Kosten einer Zelle stark von der Kathodenchemie abhängen und Elektrolyt, Anode und Zellgeometrie ebenfalls wichtige Faktoren sind. Zum Beispiel gewinnen gerade die temperaturtoleranteren und preiswerteren Lithium-Eisenphosphat-Kathoden und ihre verschiedenen Varianten an Bedeutung, ebenso wie Lithium-Titanant-Anoden wegen ihrer schnelleren Lade-Entlade-Zyklen. Beide können sowohl in Lithium-Polymer-Zellen als auch in Systemen mit flüssigem Elektrolyt genutzt werden.

Unternehmen, die LiPo-Konstruktion für die Herstellung ihrer Antriebsbatterien nutzen, verwenden auch Kathoden aus Lithium-Mangan, Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium und anderen Materialien,  um verschiedene Preis-Leistungs-Verhältnisse zu realisieren. Festkörpersysteme und Rolle-zu-Rolle-Produktion werden von Bedeutung sein für Batterien der dritten Generation, wie Lithium-Schwefel und Lithium-Luft, die Vorteile bezüglich der Energiedichte aufweisen, deren breite Markteinführung jedoch noch Jahre dauern wird.

Anpassung

Es ist nicht ratsam, sich ausschließlich auf Autos zu konzentrieren, denn die Märkte für elektrische Fahrzeuge und deren Komponenten sind oft profitabler und innovativer. Bei der Entwicklung und dem  Vertrieb von Antriebsbatterien ist es wichtig, auf die Anforderungen aller elektrischen Fahrzeuge zu achten – auf der Straße, im Gelände, auf dem Wasser, unter Wasser und in der Luft, bemannt (sicherheitskritisch) als auch unbemannt (weniger sicherheitskritisch), elektrische und hybride Fahrzeuge. Man muss die Zeitrahmen verstehen  – so wird zum Beispiel die nächste Generation von Plug-In-Hybriden die Energiedichte in Batterien optimieren, da größere Reichweiten verlangt werden, und dadurch wird der Fokus nicht mehr nur auf der Leistungsdichte liegen.

Den notwendigen Gesamtüberblickt über diese und weitere Themen bietet Ihnen die „Electric Vehicles – Land, Sea, Air“ mit Konferenz und Ausstellung. Sie gehört zu einer weltweiten Veranstaltungsreihe und wird von IDTechEx organisiert. Es werden etwa 300 Teilnehmer sowie 25 Aussteller erwartet aus allen Bereichen der Elektromobilität. Damit bieten wir eine einmalige Plattform, um mögliche Ansatzpunkte für gemeinsame Entwicklungen in unterschiedlichen Anwendungsfeldern auszuloten. Die nächste Veranstaltung findet am 28. und 29. Juni in Stuttgart, Deutschland statt. Mehr Informationen finden Sie unter www.IDTechEx.com/EVEurope

Dr. Peter Harrop, Chairman, IDTechEx

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