Metallschaum für Elektrobatterien

Optimierte Kühlung und verbessertes Crashverhalten dank zellulärer Werkstoffe

18. August 2021

Die Transformation in Richtung Elektromobilität löst nicht nur bei den Fahrzeugherstellern zahlreiche Innovationsprozesse aus, sie sorgt auch für einen Schub von Entwicklungsprozessen im Materialbereich. In einem internationalen Forschungsprojekt arbeiten Wissenschaftler am Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU derzeit an neuartigen Leichtbaubatterien für Elektrofahrzeuge. Zusammen mit 15 Partnern aus acht Nationen sollen Lösungen für die Reichweitenherausforderung von E-Autos im zu konventionellen Verbrennern gefunden werden. Zugleich werden die neuen Batterieantriebe sicherer und umweltverträglicher. Ein Schlüssel dafür ist recyclingfähiger Metallschaum, der die Wärmeregulation vereinfacht, das Gewicht der Batterien verringert und zugleich in hohem Maße stoßfest ist. Ziel des MARBEL-Konsortiums ist es, die Verbreitung von Elektrofahrzeugen zu beschleunigen und kohlendioxidfreie Mobilität zu ermöglichen.

Leichtbau mit Metallschaum

Das Fraunhofer IWU beteiligt sich am EU-Forschungsvorhaben MARBEL (Manufacturing and Assembly of modular and Reusable electro vehicle Battery for Environment-friendly and Lightweight mobility), das eine innovative und wettbewerbsfähige Leichtbaubatterie mit erhöhter Energiedichte und kürzeren Ladezeiten entwickeln wird, um die Einführung von Elektrofahrzeugen im Massenmarkt zu beschleunigen. Konkret geht es um ein neues kompaktes, modulares, gewichtsoptimiertes und hochleistungsfähiges Batteriepaket mit längerer Lebensdauer als bisherige Batterien sowie einer höheren Energie­effizienz. Hierfür wird ein flexibles und zugleich robustes Batteriemanagement­system (BMS) für ein ultraschnelles Laden der Batterien entworfen, aufgebaut und praktisch demonstriert. Die neuen Batterien bekommen außerdem ein modulares Design, mit dem es möglich wird, Reparatur-, Wartungs- und Recyclingprozesse zu rationalisieren. Der Wert neuer Batterien bleibt demnach durch die Austauschbarkeit einzelner – auch defekter – Teile erhalten. Die Belastung für die Umwelt verringert sich.

Nach den Worten von Eduard Piqueras, Koordinator von MARBEL und European Programme Manager beim Eurecat Technology Centre in Katalonien/Spanien, wird das Projekt einen großen Einfluss auf Elektrofahrzeuge, Batterieinnovation und den Leichtfahrzeugbau haben. Akzeptanz und Nutzung von E-Fahrzeugen sollen steigen, indem die Forschenden zwei der wichtigsten kritischen Punkte bei der Entscheidungsfindung von Autokäuferinnen und -käufern angehen, nämlich die begrenzte Autonomie des Fahrzeugs und die bisher zu lange Ladezeit für große Reichweiten.

MARBEL stellt darüber hinaus Nachhaltigkeit und Prinzipien der Kreislaufwirtschaft in den Mittelpunkt. Deswegen werden die 16 Forschungspartner bei MARBEL Sekundärrohstoffe verwenden, an der Entwicklung eines ressourceneffizienteren Batteriesystems arbeiten und dessen einfache Demontage, Aufarbeitung und Wiederverwendung für Second-Life-Anwendungen sicherstellen.

Das Fraunhofer IWU steuert bei MARBEL umfangreiches Wissen über Leichtbaustrukturen in Verbindung mit einem passiven Temperatur­management der Batterien bei. Die Abteilung “Funktionsintegrierter Leichtbau” beschäftigt sich seit über 20 Jahren mit der Technologie- und Anwendungsentwicklung zellularer Metalle. Im Werkzeugmaschinenbau bereits im Serieneinsatz, bieten diese Werkstoffstrukturen herausragende Eigenschaften. Sie sind leicht und bei Crashs absorbieren sie viel Aufprallenergie.

Auch im Automobilbau gibt es erste Anwendungen und die laufenden Entwicklungen im Sektor der Batteriegehäuse sind vielfältig. Christian Hannemann, MARBEL-Projektleiter am Fraunhofer IWU, sagt: “Insbesondere Metallschäume in Kombination mit Phasenwechselmaterial, sogenanntem PCM, ermöglichen ein passives Wärmemanagement bei Batterien. Das senkt den Energieaufwand zur Kühlung, was wiederum zur Folge hat, dass die Fahrreichweite steigt.”

Eine Metallschaumstruktur als Grundlage für ein Batteriegehäuse sorgt dabei einerseits für den schnellen Transport überschüssiger Wärme in ein Speichermedium, z. B. Wachs, das in die Zellstruktur eingelagert wurde. Andererseits schützt diese Struktur die Batterie vor äußeren Einflüssen und das Umfeld vor potenziell gefährlichen Fehlfunktionen des Batteriesystems im Fall eines Unfalls.

www.marbel-project.eu

Bild: Eine Metallschaumstruktur als Grundlage für ein Batteriegehäuse sorgt in E-Autos für den schnellen Abtransport überschüssiger Wärme. Zugleich schützt diese Struktur das Umfeld im Fall eines Crashs (Quelle: Fraunhofer IWU)