Technik
06.02.2019

Batterien - Zwischen Reichweite und Schnellladen

Batterien aus der Steiermark: Samsung SDI Entwicklungsleiter Nikolaus Hochgatterer über Gegenwart und Zukunft.

Noch sind die Marktanteile von Batterie-elektrischen und Plug-in-Hybrid-Autos bei uns wie in der EU bescheiden, aber nach 2020 sollen sie nicht zuletzt wegen eines deutlich größeren Produktangebotes rasant steigen. Wie attraktiv das Angebot für die Kunden wird, bestimmen vor allem die Batterien. Sie sind der Schlüsselfaktor.

Worauf es bei den Batterien ankommt, erläuterte Nikolaus Hochgatterer von Samsung SDI in einem Vortrag Ende 2018 an der FH Joanneum in Graz. Er nannte folgende Kernpunkte:

Energiedichte (bestimmt die Reichweite des E-Autos)

Kühlung (wichtig für sicheres Schnellladen)

Kostenreduktion durch Standardisierung, neue Designansätze für Batterien, auf E-Antrieb optimierte Fahrzeugplattformen.

- Energiedichte Die Reichweite von E-Autos ist laut weltweiter Befragungen nach den Lademodalitäten die zweitgrößte Sorge von potenziellen Kunden. Die Reichweite hängt vor allem von der Energiedichte der Batterien ab. Derzeit beträgt sie 500 Wh/l. In der nächsten Zellgeneration, die Hochgatterer für 2020 ankündigt, wird sie auf 600 Wh/l steigen und für rund 600 km Reichweite reichen, gefolgt von der Generation ab 2023 mit 700 Wh/l und zwei Jahre später einer weiteren mit 800 Wh/l. Bei allen handelt es sich um Lithium-Metall-Zellen.

Allerdings wird laut Hochgatterer die 700 Wh/l-Zelle ab 2023 mit weniger Kobalt kommen, das vor allem durch Nickel ersetzt werden soll. Kleiner Haken: Mit dem Nickelgehalt sinkt die Sicherheit. Das müssen Entwickler noch in Griff bekommen.

Auf der positiven Elektrode wird dagegen dann der bisherige Graphit durch Silizium ersetzt. Hochgatterer: „Das freut mich ganz besonders, ich habe vor 15 Jahren mit der Forschung dort begonnen und in fünf bis sechs Jahren werden wir so weit sein, es in Serie zu bringen.“

Er sieht keine konkurrenzfähige Technologie, die jene der Lithium-Ionen ablösen könne. Der große Sprung sei mit der Variante Lithium-Luft um 2030 zu erwarten.

- Kühlung Derzeit fertigt Samsung SDI fast ausschließlich Lithium-Batterien und Zellen für Plug-in-Hybride. Grund: Beim Fertigungsstart sah man bei ihnen größere Stückzahlen als bei reinen E-Autos.

Diese Batteriezellen für Plug-in-Hybride (z.B. für Porsche, Audi, Mercedes, BMW) sind fast komplett flüssigkeitsgekühlt. Die Kühlung brauche damit, so Hochgatterer, weniger Platz, außerdem sei das Kühlmedium leichter zu konditionieren als bei einer Luftkühlung. Die Flüssigkeitskühlung lässt sich etwa mit der Klimaanlage koppeln.

Verdampfungskühlung, eine weitere Variante, sei zwar sehr leistungsfähig und brauche wenig Platz, führe jedoch zu „Betauungsproblemen“ bei der Batterie, sprich, es kommt Feuchtigkeit in die Batterie, was ihre Lebensdauer senkt.

Für das gewünschte Schnellladen von Batterie-elektrischen Fahrzeugen, gemeint ist hier ein Laden der Batterie in 30 und künftig in 15 Minuten, ist auch für diese Autos eine effiziente Kühlung unerlässlich. Nur sie erlaubt Schnellladen ohne einen spürbaren Verlust der Lebensdauer. „Die Wohlfühltemperatur für eine Lithium-Batterie sind 36 Grad C,“ so Hochgatterer. Eine Temperatur bis 40 oder 45 Grad C sei auch noch okay. Werden aber bei jedem Schnellladen im Schnitt 51 Grad erreicht, dann werde die Batterie thermisch stark belastet. „Diese Temperaturen sind Gift für die Batterie“, so der Experte, und senken die Lebensdauer spürbar.

Um dies zu verhindern, werden Lithium-Batterien von Samsung SDI bis 50 Grad regulär betrieben, im Bereich 50 bis 60 Grad wird die Leistungsfähigkeit gedrosselt und ab 60 Grad wird abgeriegelt. Eine Gegenmaßnahme gegen das Überhitzen ist ein leistungsfähiges Kühlsystem, das nicht nur die Temperatur senkt, sondern dies gleichmäßig in allen Zellen schafft.

- Kostenreduktion Um kostenmäßig mit einem leistungsmäßig vergleichbaren Fahrzeug mit Verbrennungsmotor mithalten zu können, darf die Batterie für ein E-Auto mit 85 kWh nicht mehr als 80 bis 116 Euro pro kWh kosten.

Für Plug-in-Hybride beträgt der Preis derzeit 200 bis 250 Euro, für künftige E-Autos wie von VW mit der speziellen E-Plattform (MEB) werden schon Batterien zu 90 Euro pro kWh netto angeboten, somit der Zielwert der Industrie erreicht. „Das ist kostendeckend für die Zelle, das Batteriemodul und -system und schlussendlich auch für den Autohersteller“, so Hochgatterer. Mit extrem hohen Stückzahlen, einer eigenen Plattform- und Standardisierungsstrategie wie bei VW sei dies künftig erreichbar. Heute liegt man noch deutlich drüber, vor allem, wenn die Reichweite über 300 km liegen soll.

Die größten Einsparungschancen sieht Hochgatterer beim Batteriepaket, bei den Materialkosten für das Batteriesystem. Bei Fertigung, Personal, Fixkosten und Anlagen dagegen sei nicht mehr viel zu holen, weil die Fertigungsanlagen bereits hochautomatisiert sind. Elektrikkosten machen ca. 10 % aus.

Ein weiterer wichtiger Schritt ist die Standardisierung. Gemeint ist vor allem die Standardisierung von Fertigungsprozessen, Technologien, Formaten und Modulen. Ähnlich wie bei Fahrzeugen die Plattformstrategie die Kosten senken half, könnten dies Standardmodule bei Batterien tun. Dies würde vor allem kleineren Herstellern mit geringeren Stückzahlen, etwa 100.000 Stück pro Jahr, zugutekommen.

Zur Person

Nikolaus Hochgatterer Er studierte Technische Chemie an der TU Graz. Sein Doktorat machte er über Lithium-Ionen-Zellfertigung mit Varta. 2008 kam er als Entwickler von Lithium-Ionen-Energiespeichersystemen zur Magna Steyr Fahrzeugtechnik in Graz. 2010 wurde er Leiter der Vorentwicklung und Zelltechnologie bei Magna Steyr Battery Systems. Seit 2014 ist Hochgatterer bei Samsung SDI Battery Systems in Premstätten (bei Graz) Entwicklungsleiter und seit 2017 weltweit verantwortlich für die Entwicklung und Validierung von Kfz-Lithium-Ionen-Akkus innerhalb von Samsung SDI.

Samsung SDISDI steht für Samsung Display Innovation und zeigt, woher die Firma kommt: aus dem Bereich der Displays. Als das Geschäft dort nachließ, wurde über eine neue Zukunftstechnologie nachgedacht und in der Lithium-Ionen-Zelltechnologie gefunden. Das Vorwissen über Beschichtung ist auch für die Zelltechnologie sehr wichtig.
Samsung SDI fokussiert sich seit mehr als 10 Jahren auf die Entwicklung und Fertigung von Energiespeicherzellen, Modulen und System für den automobilen Bereich. 

In Österreich übernahmen die Koreaner 2015 zur Gänze die Magna Steyr Battery Systems mit Sitz in Premstätten. Dort arbeiten derzeit rund 150 Mitarbeiter in der Batterieentwicklung. Am Standort gibt es auch eine Batteriefertigung (ca. 100.000/ Jahr). Praktisch alle deutschen Plug-in-Hybrid-Modelle (Audi, BMW, Porsche, Mercedes) sind mit Batterien aus Premstätten ausgestattet. Auch der neue BMW X5 sowie der Porsche Cayenne Plug-in-Hybrid haben Samsung SDI-Batteriesysteme.

Um für den prophezeiten E-Boom in Europa gerüstet zu sein, wird  in Göd bei Budapest eine große Fertigungsanlage errichtet, die heuer in Betrieb gehen soll. In Göd sollen auch Zellen hergestellt werden. Derzeit werden sie aus Südkorea bezogen. Samsung SDI Batterien stecken auch in der neuen E-Harley Davidson. Auf der Detroit Motorshow wurden neue Feststoff-Batterien vorgestellt.