Schneller Laden ohne Risiko

Künftige Elektroautos laden mehr Strom in kürzerer Zeit. Was für den Fahrer komfortabel ist, stellt die Batterie-Entwickler vor große Herausforderungen. Freudenberg-Experte Peter Kritzer entwickelt Lösungen für sichere Akkus.

Den Akku auftanken. Für Peter Kritzer bedeutet das, in den Wald zu gehen und die Natur zu genießen. Dass er dabei über Batterien nachdenkt, ist für den 49-jährigen Chemiker nicht ungewöhnlich. Er ist davon überzeugt, dass dem Elektroauto die Zukunft gehört. „Immer mehr Staaten stellen ihr Energiesystem vollständig auf Erneuerbare Energien um“, sagt Kritzer. „Das Elektroauto ist die beste Möglichkeit, den erzeugten Strom im Verkehrssektor zu nutzen.“ Viele Automobilhersteller sehen das genauso und investieren Milliarden in die Entwicklung elektrischer Antriebe. Doch um E-Autos im Alltag nutzen zu können, muss der Strom ins Auto gelangen und dort gespeichert werden. Das führt zu zwei wichtigen Aspekten: Einerseits werden die Akkus künftiger Elektroautos immer größer, um Reichweiten von bis zu 500 Kilometer ohne Nachladen zu erreichen. In den meisten Fahrzeugen, die ab 2019 auf den Markt kommen, besteht demnach der komplette Unterboden aus Batteriezellen. Andererseits steigt die für das Laden benötigte elektrische Leistung, um in kürzerer Zeit mehr Energie an Bord zu bekommen. An den Autobahnen werden Elektrotankstellen errichtet, die mit bis zu 350 Kilowatt laden – das entspricht der hundertfachen Leistung eines typischen Drehstromanschlusses im Haushalt. In 15 Minuten, so das Versprechen eines Premiumherstellers, soll ausreichend Strom für rund 400 Kilometer an Bord sein.

Dr. Peter Kritzer mit thermischen Isolationsvliesen für Batterien.

Die ersten Fahrzeuge in Europa führen CO2 als Kältemittel für die Klimaanlage mit

Peter Kritzer, der bei Freudenberg Sealing Technologies als Senior Application Manager arbeitet, ist von der Entwicklung begeistert. Aber, so der Experte, Batterien mit größerer Leistungsdichte sowie höhere Ladeströme bergen auch Risiken. „Batterien müssen so ausgelegt werden, dass sie keinesfalls überhitzen.“ Denn wenn auch nur eine von Hunderten Zellen in einem Lithium-Ionen-Akku überhitzt, kann ein elektrochemischer Prozess in Gang kommen, der schließlich in einem Brand der Batterie mündet. Da die einzelnen Zellen in künftigen Batterien dichter gepackt werden, kann die Hitze leichter von einer Zelle auf die andere übergehen. Die Gegenmaßnahme hat Kritzer in der Aktentasche: ein unscheinbares Silikonbauteil, nur einen Millimeter dünn, mit einer eingeprägten Waffelstruktur. Es handelt sich um ein auf Lithium-Ionen-Akkus angepasstes Hitzeschild. Wird es zwischen den Zellen platziert, sorgt die in der Struktur eingeschlossene Luft für eine sehr gute Wärmeisolation. „Trotzdem beansprucht diese Lösung wenig Bauraum und mindert daher die Energiedichte der Batteriesysteme kaum“, erläutert Kritzer.

Mehr Sicherheit könnte auch erreicht werden, wenn bei drohender Überhitzung eine Schnellkühlung aktiviert würde – etwa durch an Bord mitgeführtes Kohlendioxid. Das Gas ist äußerst reaktionsträge und wird daher schon seit langem in Feuerlöschern eingesetzt. Derzeit kommen in Europa die ersten Fahrzeuge auf den Markt, die CO2 als Kältemittel für die Klimaanlage mitführen. „Man könnte das CO2 aus dem Klimakreislauf im Notfall gezielt zu einer kritischen Zelle führen“, beschreibt Kritzer die von Freudenberg Sealing Technologies patentierte Idee. Sie ist auch auf Fahrzeuge übertragbar, die mit anderen Kältemitteln arbeiten. In diesem Fall würde eine kleine Menge CO2 – etwa 300 Gramm – in einem unter Druck stehenden Reservoir an Bord mitgeführt. Das Reservoir wäre technisch mit den Hydrospeichern verwandt, die Freudenberg bereits in großen Stückzahlen fertigt.

Dr. Kritzer beim Laden eines E-Autos auf dem Werksgelände in Weinheim.

DIAvent Entlüftungsventil

Während Hitzeschilde und Feuerlöscher für Fahrzeugbatterien sich noch im Entwicklungsstadium befinden, ist Freudenberg mit anderen Lösungen schon weit näher an einem Serieneinsatz. So erproben derzeit mehrere Kunden ein neues Entlüftungsventil für Batteriegehäuse. Es vereint zwei bislang in getrennten Bauteilen realisierte Funktionen: Einerseits dient es dem normalen Druckausgleich, der notwendig ist, wenn ein hermetisch versiegeltes Gehäuse deutliche Höhenunterschiede meistern muss. „Auch mit einem Elektroauto will man in die Berge fahren, ohne dass sich die Batterie verbeult“, so Kritzer. Andererseits sorgt das Ventil auch für eine Notentlüftung. Dringen Gase aus einer schadhaften Batteriezelle, werden diese sofort abgeführt. „In künftigen Akkus mit hoher Leistungsdichte ist nicht viel Luft“, erläutert der Experte. „Ohne Notentlüftung würde der Innendruck so rasch steigen, dass die Batterie bersten könnte.“

Hinter dem DIAvent genannten Entlüftungsventil steckt im Kern eine einfache Idee: Je nachdem ob im Normalbetrieb der Luftdruck allmählich reguliert werden muss oder ob es im Notfall ganz schnell gehen muss, ändert sich durch den patentierten Mechanismus die von der Luft durchströmte Querschnittsfläche. „Es sind die einfachen Ideen, die dazu beitragen, große Probleme zu lösen“, sagt Kritzer. Doch im Alleingang kann er aus einer Erfindung keine serienfähige Lösung zu machen, es braucht Experten für Konstruktion, Werkstoffe, Versuchstechnik und vieles mehr. „Letztendlich ist es immer eine Teamleistung, wenn wir mit einem neuen Produkt erfolgreich sind.“ Am Anfang freilich steht manchmal ein einsamer Waldspaziergang.