Akkuentwicklung: StoreDot plant Diversifikation

Schnelle Fortschritte auf dem Gebiet der Batteriechemie und sich weiterentwickelnde Mobilitätsgewohnheiten stellen den traditionellen Ansatz zur Optimierung der Batterieleistung infrage.

Storedot plant künftig, Akkus für unterschidliche Anforderungen auch unterschiedlich auszulegen. | Foto: StoreDot
Storedot plant künftig, Akkus für unterschidliche Anforderungen auch unterschiedlich auszulegen. | Foto: StoreDot
Gregor Soller

Die Akkuentwicklung schreitet zügig voran, wird sich aber künftig stärker differenzieren müssen. Dr. Doron Myersdorf, CEO des auf extrem schnelle Lademöglichkeiten spezialisierten Pionierunternehmens StoreDot, stellt klar, warum Batteriehersteller auf chemikalischer Ebene neue Möglichkeiten für mehr Vielseitigkeit bei der Batterieleistung finden müssen, um unterschiedliche Fahrerbedürfnisse zu erfüllen. Außerdem geht er auf einige der Auswirkungen ein, die neue Fahrprofile auf die E-Auto-Industrie haben.

Denn die E-Auto-Industrie entwickelt sich aktuell rasant weiter – auch und vor allem im Bereich der Batterieherstellung. Radikale neue Ansätze bei der Zellchemie ermöglichen die Bewältigung technologischer Herausforderungen in einem Ausmaß, das man noch vor fünf Jahren für unmöglich gehalten hätte. Ein Beispiel ist das komplette Aufladen eines Elektrofahrzeugs innerhalb von nur fünf Minuten. Doch nach wie vor bestimmen vor allem Reichweiten- und Ladeangst den Umstieg auf die E-Mobilität. Angesichts von Weiterentwicklungen bei der Zellchemie zeigt sich, dass auch der traditionelle Branchenansatz zur Optimierung der Lebenszyklusleistung weiterentwickelt werden muss.

Die Batterieleistung muss über den Lebenszyklus dynamisch betrachtet werden

Klassischerweise wird die Lebenszyklusleistung von Batterien anhand von drei wesentlichen Parametern gemessen: Energiedichte, Ladegeschwindigkeit und Anzahl der Lade-/Entladezyklen. Sie stehen in enger Wechselwirkung zueinander: Wird ein Parameter verbessert, tritt bei den anderen eine Verschlechterung ein. Insofern basiert die Batterieoptimierung vor allem darauf, die beste Kombination dieser drei Parameter zu ermitteln. In vielerlei Hinsicht ist das ein recht vorhersehbarer Prozess – lädt man eine Batterie im Zeitraum von sechs Stunden, kann man sie wahrscheinlich für rund 2.000 Zyklen nutzen.

Neue Batteriechemie sowie immer ausgefeiltere Batteriemanagementsysteme und veränderte Fahrgewohnheiten sorgen aber für einen Wandel. Die Batterieleistung ist nicht mehr so absolut fixiert. Abhängig davon, wie gefahren und aufgeladen wird, kann sie sich vielmehr mit der Zeit ändern. Deshalb ist eine neue Denkweise gefragt. Das Optimieren der Batterieleistung ist nicht weiter auf die bisherige Art und Weise als statische Funktion möglich. Die Batterieleistung muss dynamisch betrachtet und mit dem Fahrerprofil verbunden werden.

Die Nutzer haben einen großen Einfluss auf den Akku und eine Lebensdauer

Für Entwickler von Batterietechnologie ist es insbesondere wichtig herauszufinden, welche Gewohnheiten die E-Auto-Fahrer haben werden. Bei Batteriemanagementsystemen besteht die Notwendigkeit, diese zu ändern, wenn sich die Gewohnheiten des Fahrers ändern, etwa durch eine neue Arbeitsstelle, die häufigere oder längere Fahrten erforderlich macht. Die Batteriechemie ist dagegen unveränderlich. Deshalb müssen Chemie und Auslegung der Batterie so eng wie möglich auf die voraussichtlichen Fahrerbedürfnisse abgestimmt werden.

Vor diesem Hintergrund überlegte StroreDot, welche Fahr- und Ladegewohnheiten die E-Auto-Nutzer der Zukunft wohl haben werden. Tatsächlich wird es Hunderte unterschiedlicher Fahrerprofile geben; zur Vereinfachung seien hier nur drei erwähnt. Das erste gehört zur sogenannten Kurzstreckenpendlern, die ihren Wagen vornehmlich für kurze Strecken nutzen und ihn über Nacht laden. Am anderen Ende des Spektrums stehen die Langstreckenfahrer, die regelmäßig große Distanzen zurücklegen und oft im Hotel übernachten. Sie sind auf häufiges schnelles Laden angewiesen. Zwischen diese beiden Extreme fallen diejenigen, die ihr Fahrzeug sowohl für kurze als auch für lange Strecken nutzen und daher schnelles ebenso wie langsames Laden benötigen.

Jedes dieser Profile hat spezifische Auswirkungen auf die Batteriespezifikation: Bei einem Fahrer, der immer auf Schnellladen zurückgreift, müsste man die Batteriechemie entsprechend auslegen, um für genau diesen Fahrer das beste Verhältnis zwischen Energiedichte und Zykluslebensdauer zu erhalten.

Implementierung neuer Denkansätze

Bei einer Optimierung von Batteriezusammensetzung und -konstruktion auf die spezifischen Fahrerbedürfnisse spielen zahlreiche chemische und elektrochemische Aspekte eine Rolle. Zu bestimmen sind etwa die optimale Kombination aus Grafit, Silizium und/oder anderen Halbmetallen in der Anode sowie das richtige Verhältnis von Kathoden- und Anodenlast. Auch muss dafür gesorgt werden, dass obere und untere Abschaltspannung innerhalb sicherer Grenzen liegen. Allerdings hat jede dazu getroffene Entscheidung Auswirkungen auf andere Elemente der Batteriechemie und Batterieauslegung. Während der Entwicklung müssen insofern alle Faktoren in die Entscheidungsfindung einfließen.

Bei der Arbeit an der XFC-Technologie (Extreme Fast Charging) stellte die Ausdehnung des Siliziums während des Schnellladevorgangs eine der größten Herausforderungen dar. Überwunden wurde sie durch Einsatz von Nanopartikeln in einer 3D-Struktur, die ausreichend Platz für eine Expansion lässt, ohne die Gesamtstruktur oder das Volumen der Anode sehr stark zu verändern. Beim Konzipieren von Batterien für bestimmte Betriebsmodelle müssen wir nicht nur die jeweils beste Materialkombination zum Optimieren der für den Fahrer wichtigsten Parameter ermitteln, sondern auch herausfinden, wie sich die einzelnen Kombinationen auf die Anodenstruktur auswirken. Während Batterien, die für Ultra-Fast- und Langsamladen optimiert sind, etwa siliziumdominant sein können, ist nur bei XFC-Batterien der Einsatz von Nanopartikeln zum Steuern der Siliziumexpansion während des Schnellladens notwendig.

In der Akkustruktur gibt es einige Variable

Die Situation ist aber noch komplizierter: Die Anodenstruktur unterliegt auch einem Einfluss durch die Art des Elektrolyts sowie durch die als Element der SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase) für die Ionenbewegung von Kathode zu Anode verwendeten Elektrolytzusätze. Für die Auswahl der Zusätze ist maßgeblich, ob die Batterie für XFC, für langsames Laden oder für einen Bereich dazwischen optimiert wird; insofern muss auch bei der generellen Anodenauslegung darauf geachtet werden.

Anode und Kathode müssten für Schnell- und Langsamlader unterschiedliche Größen aufweisen

Eine weitere zu berücksichtigende Variable ist die für die Anode verwendete Materialkombination, da sie sich auf die obere und untere Abschaltspannung der Batterie auswirkt. Ebenfalls in die Planung einzubeziehen ist, inwiefern das Betriebsmodell des Fahrzeugs das Verhältnis von Kathoden- zu Anodenlast bei der Batteriezelle beeinflusst. Die Festlegung des richtigen Verhältnisses von Kathoden- zu Anodenlast ist entscheidend, damit bei jedem Lade- und Entladezyklus eine vollständig reversible Reaktion abläuft, das gesamte Lithium also vollständig zwischen Kathode und Anode hin und her bewegt werden kann. Beim Konzipieren der Batterie kann die Kathode oder die Anode rund fünf Prozent vergrößert werden, um für eine ausgewogene Lithiumbewegung zu sorgen. Der Optimierungspunkt ist bei den einzelnen Optionen unterschiedlich: Bei einer für schnelles Laden optimierten Batterie muss die Kathode etwas größer sein, während bei einer für langsames Laden optimierten Batterie die Anode vergrößert werden könnte.

Ladedaten könnten die Akkuauslegung zusätzlich optimieren

Die erwähnten Verfahren sind nur einige der Möglichkeiten dafür, Batterietechnologie durch Anpassungen besser auf die sich weiterentwickelnden Anforderungen künftiger E-Auto-Fahrer abzustimmen. Die Vorteile eines stärker an den Kunden ausgerichteten Ansatzes gehen allerdings weit über das bloße Verbessern der Batterieleistung hinaus. Um beispielsweise die Anzahl und Art der erforderlichen Ladepunkte zu bestimmen, wird es für Infrastrukturanbieter von unschätzbarem Wert sein, in großem Stil Daten über die Fahrgewohnheiten zu erfassen. Davon ausgehend ließen sich an genau den richtigen Orten Ladepunkte für langsames Laden oder schnelles Laden bereitstellen.

Die Händler könnten bei der Akkuauslegung helfen

Erforderlich ist hier ein standardisiertes Verfahren zum Erfassen der Daten und Verteilen der Informationen an die entsprechenden Interessengruppen. Den Anfang könnte dabei schon der Verkauf bilden, indem Händler eine Reihe von Fragen stellen, etwa: „Wie wichtig ist schnelles Laden für Sie auf einer Skala von 1 bis 10?“ Eine andere Möglichkeit wäre es, Kunden um die Genehmigung zum Herunterladen ihrer Google-Fahreranalysen zu bitten. Damit bestünde auf Knopfdruck Zugang zu wesentlichen Angaben wie der durchschnittlichen Fahrzeit, Fahrstrecke und Fahrgeschwindigkeit sowie zu Daten über die Ladegewohnheiten. Händler sind dann in der Lage, Kunden nicht nur beim Auswählen des am besten zum jeweiligen Lebensstil passenden Fahrzeugs zu helfen, sondern können ausgehend vom jeweiligen Fahr- und Ladeverhalten auch den optimalen Batterietyp empfehlen.

Was bedeutet das?

Beim weiteren Blick in die Zukunft wird klar, dass der letzte Schritt dieser Entwicklung das standardmäßige Anbieten komplett kundenindividueller Batterien ist. Von diesem Ziel sind wir aktuell noch weit entfernt – umso wichtiger ist es, jetzt die notwendigen Grundlagen zu schaffen. Nur durch umfassende Einbeziehung der Fahrer wird sich die nächste Phase der Entwicklung von E-Auto-Batterien erfolgreich einleiten lassen.

 

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