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2011 startet die Großserienproduktion

Lithium-Ionen-Technologie: Massenmarkt als neues Geschäftsfeld
2011 startet die Großserienproduktion

Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge unterscheiden sich von denen für tragbare elektronische Geräte. Um den zukünftigen Bedarf zu decken, muss die Entwicklung der Produktionstechnologien vorangetrieben werden. Chemie, Maschinenbau und Fahrzeugindustrie arbeiten bereits erfolgreich zusammen.

Nahezu alle Automobilhersteller und Zulieferer sind sich einig, dass der Energiespeicher für künftige Hybrid- und Elektrofahrzeuge eine Batterie mit Lithium- Ionen-Technologie sein wird. Denn sie bietet im Gegensatz zu anderen Batterietechnologien die besten Entwicklungsperspektiven. „Die Anforderungen der Automobilbranche an diese Technologie sind hoch. Die Ingenieure bei SB LiMotive kommen den Entwicklungszielen zügig Schritt für Schritt näher“, so Dr. Joachim Fetzer, Executive Vice President von SB LiMotive, einem Gemeinschaftsunternehmen von Bosch und Samsung SDI. Als erster Automobilhersteller hat sich BMW entschlossen, für das rein elektrisch angetriebene Megacity Vehicle Batteriezellen von SB LiMotive zu beziehen. Außerdem steuert SB LiMotive die Batteriezellen für das BMW-Elektrofahrzeug Concept ActiveE bei, mit dem BMW ab 2011 eine Erprobungsflotte aufbauen wird.

Auch die Li-Tec Battery GmbH, ein Tochterunternehmen der Essener Evonik Industries AG, macht im Rennen um die beste Batterielösung für die Automobilindustrie der Zukunft große Fortschritte: Das Unternehmen aus dem sächsischen Kamenz fertigt serienfähige Lithium-Ionen-Batteriezellen mit keramischer Speichertechnologie für automobile Anwendungen.
Bei der Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie konzentrieren sich die Anbieter im Wesentlichen auf fünf Punkte: Kosten, Energie- und Leistungsdichte, Sicherheit und Lebensdauer. Der Erfolg von Elektrofahrzeugen beim Endverbraucher hängt hauptsächlich vom Kaufpreis ab. Die Batterie wird die teuerste Komponente im Elektrofahrzeug sein. SB LiMotive visiert für das Jahr 2015 einen Preis von 350 Euro pro kWh an, womit eine Batterie mit 35 kWh Kapazität rund 12 000 Euro kosten würde. Mit zunehmenden Stückzahlen reduzieren Skaleneffekte dann in den Folgejahren die Kosten. „So sind die Stückkosten für die Lithium-Ionen-Batterie eines Herstellers mit Kapazitäten für 50 000 bis 100 000 Packs – im Vergleich zu einem Hersteller mit 500 000 Packs im Jahr – von vorneherein mit 500 Euro mehr an Entwicklungskosten belastet“, rechnet Fetzer vor.
Ein weiteres Erfolgskriterium ist die Reichweite eines Elektrofahrzeugs, die stark von der Energiedichte der Batteriezelle abhängt. Zielsetzung ist, die Energiedichte um den Faktor 2 zu verbessern. So sollen Reichweiten um die 200 km realisiert werden, wie sie vom Endverbraucher gefordert werden. „Bei der Verbesserung der Energie- und Leistungsdichte werden in erster Linie die Materialien der Zellenchemie optimiert“, so Fetzer weiter. Mit Verbesserung der Energiedichte können auch Gewicht und Größe der Lithium-Ionen-Batterie reduziert werden. Für ein Fahrzeug mit 100 bis 150 km Reichweite hätte sie nach heutigem Entwicklungsstand die Größe des Kofferraums eines Autos der Golf-Klasse. Bei 35 kWh Kapazität sind das rund 350 l Volumen und ein Gewicht von circa 350 kg.
Auch bei Li-Tec wurde erkannt, dass die Leistungsfähigkeit der Zelle im Wesentlichen von der Materialauswahl abhängt. „Batteriezellen werden aber in drei Schritten hergestellt“, sagt Dr. Ernst R. Barenschee. Der Geschäftsführer der Evonik Litarion GmbH nennt die Komponenten Elektroden und Separator, den Zusammenbau der Komponenten zu Zellen und zuletzt die Formierung, das erste Laden der Zellen, bei dem ihnen gleichsam das „Leben eingehaucht“ wird. Ihre führende Stellung will die Li-Tec-Zelle durch den Einsatz einer einzigartigen keramischen Speichertechnologie erreichen. Kern der Cerio-Technologie ist der keramische Hochleistungsseparator Separion. Diese speziell entwickelte Separatorfolie ist hauchdünn und dabei extrem hitzebeständig. In der Batterie ist der innovative Separator für die Trennung von Anode und Kathode zuständig und verhindert so einen gefährlichen inneren Kurzschluss. Der keramische Separator wird in einer kontinuierlichen Beschichtungsanlage gefertigt. Die Komponenten werden als Rollenware an die Zellfertigung gegeben. Bei der Fertigung der Zellen werden die einzelnen Elektroden und der Separator aus der Rollenware geschnitten. Dann erfolgt die Stapelbildung, bei der sich jeweils Anode, Separator und Kathode abwechseln. Je nach Zielkapazität der Zelle werden bis zu 150 Einzellagen gestapelt. Im nächsten Schritt werden die einzelnen Elektrodenlagen mit Ableitern verschweißt, über die die Zelle später ge- und entladen wird. Der fertige Stapel wird dann in spezielle tiefgezogene kunststoffbeschichtete Metallfolien verpackt und an drei Rändern versiegelt. Über die offene Seite wird zuletzt der Elektrolyt eingefüllt und die Verpackung abschließend versiegelt. Die Versiegelungschritte sind besonders kritisch, denn die Zellverpackungen müssen während der gesamten Lebensdauer der Zellen absolut dicht halten. Im dritten und letzten Fertigungsschritt werden die Zellen dann in einer automatischen Ladestation erstmals geladen.
Bei den Anforderungen an die Haltbarkeit gilt die Kurzformel: ein Autoleben lang. Das bedeutet bei der Batterie für ein Hybridfahrzeug mehr als eine Million Ladezyklen, denn der Hybrid wechselt sehr häufig zwischen Entladen und rekuperativem Laden. Bei Batterien für das Elektroauto zielt SB LiMotive auf 1500 bis 2000 Vollladezyklen, was bei einer Reichweite von 150 bis 200 km je Batterieladung einer Fahrleistung von circa 300 000 km entspricht. Mit einer kalendarischen Lebensdauer von mehr als zehn Jahren wäre die Batterie zudem keine Servicekomponente, sofern in dieser Zeit die verfügbare Batteriekapazität nicht unter 80 % der Ursprungskapazität sinkt.
Was die Fertigung anbelangt, will man bei LiTec ab 2011 in Kamenz mehrere Millionen Zellen in Serie herstellen. Noch in diesem Jahr will Li-Tec die Produktionskapazität für Batteriezellen auf 300 000 Stück pro Jahr hochschrauben. „Damit rückt die Massenproduktion von sicheren und umweltfreundlichen Elektrofahrzeugen in Europa ein deutliches Stück näher“, erklärt Dr. Andreas Gutsch, Geschäftsführer der Li-Tec Battery GmbH. Seit Dezember 2008 bündeln Evonik Industries AG und Daimler AG bei der Li-Tec ihre Kompetenzen. In der Partnerschaft verbindet sich Chemie- Know-how mit Fahrzeugkompetenz. Li-Tec wird aber künftig nicht nur Batteriezellen für Mercedes-Benz Cars liefern, sondern ist auch offen für andere Anbieter im internationalen Markt.
Auch SB LiMotive wurde 2008 von Bosch und Samsung SDI gegründet. Heute ist SB LiMotive in allen drei Weltregionen mit rund 650 Mitarbeitern vertreten. An den koreanischen Standorten Giheung ist die Unternehmenszentrale sowie die Zellentwicklung und in Ulsan die Produktion mit zusammen rund 360 Experten angesiedelt. In Ulsan wurde in einem Zeitraum von zwölf Monaten ein Produktionsstandort mit Fertigungsanlagen für Batteriezellen aufgebaut. Hier wird ab Ende 2010 die Fertigung für Lithium-Ionen-Zellen für Vorserienprojekte und 2011 die Großserienfertigung starten. In Stuttgart-Feuerbach hat die deutsche Tochter von SB LiMotive mit rund 100 Mitarbeitern ihren Sitz. Hier befinden sich die Entwicklung der Batterie-Packs und -Systeme sowie der Musterbau für Prototypen.
Bis 2012 plant SB LiMotive, die Kapazität der Zellenfertigung bis auf gut 600 000 kWh pro Jahr hochzufahren, ausreichend für 20 000 Elektrofahrzeuge. „Mit dem nächsten Großserienauftrag werden wir zusätzliche Fertigungskapazitäten für Zellen und Packs in Europa oder den USA aufbauen – je nachdem, wo weitere Kunden angesiedelt sein werden“, so Fetzer weiter.
Industrieanzeiger
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