Entwicklung von Batterien mit hoher Energiedichte mit Amprius – Zusammenfassung des Webinars

Zellen mit hoher Energiedichte eröffnen neue Möglichkeiten für Drohnen, Robotik, Luftfahrt und andere fortschrittliche batteriebetriebene Systeme. Eine höhere Energiedichte führt jedoch nicht automatisch zu einer besseren Produktleistung. Sie verändert auch die Art und Weise, wie ein Akku-Pack konstruiert, integriert, gekühlt, geschützt und zertifiziert werden muss. Das war die zentrale Botschaft unseres jüngsten Webinars mit Ran Aloni, CTO von Dan-Tech Energy, und Dr. Ionel Stefan, CTO von Amprius. Die vollständige Aufzeichnung können Sie [hier]ansehen.

Warum das Batteriedesign wichtig ist

Einer der wichtigsten Punkte des Webinars war, dass ein Zelldatenblatt lediglich den Ausgangspunkt darstellt. Sobald Zellen zu einem Batteriepack zusammengefügt werden, wirken sich Entscheidungen auf Systemebene auf Sicherheit, Zuverlässigkeit, Zertifizierung und Leistung aus. Die Präsentation von Dan-Tech hob hervor, dass die Wahl der Batterie Auswirkungen auf Effizienz, Leistungsabgabe, Lebensdauer, Brandrisiko, Überhitzungsverhalten und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften hat. Außerdem wurde dargelegt, dass ein maßgeschneidertes Batteriedesign oft der beste Weg ist, um die Batterie vollständig an das Produkt anzupassen, anstatt das Produkt an einen handelsüblichen Batteriepack anzupassen.

Diese systemische Sichtweise gewinnt bei der Arbeit mit Hochleistungszellen noch mehr an Bedeutung. Ran betonte, dass das Batteriedesign mit einer Anforderungsanalyse beginnt: Stromprofil, Laufzeit, Spitzenlasten, Lademethode, Kommunikationsprotokoll, Austauschbarkeit durch den Nutzer, Betriebsumgebung und Zertifizierungsprozess beeinflussen alle die endgültige Architektur des Akkupacks.

Beginnen Sie mit dem Einsatzprofil

Das Webinar machte deutlich, dass die „beste Batterie“ von der jeweiligen Anwendung abhängt. Bei UAVs und in der Luftfahrt beispielsweise ist der Strombedarf selten konstant. VTOL-Flugzeuge, Schwebeflug, Pusher-Konfigurationen, Kartierungsdrohnen, Inspektionsdrohnen und Plattformen mit langer Flugdauer stellen jeweils unterschiedliche Anforderungen an die Batterie. Entwickler müssen einen Kompromiss finden zwischen Nutzlast und Kapazität, Leistungsdichte und Energiedichte, Wärmemanagement, Anschlussstrategie, Hot-Swapping und Zertifizierung.

Aus diesem Grund lässt sich die Batteriekonzeption nicht vom Anwendungsfall trennen. Eine Batterie, die bei einem langen, stabilen Reiseflug gute Leistungen erbringt, ist möglicherweise nicht die richtige Wahl für einen energieintensiven Start- und Landeflug. In dem Webinar wurde immer wieder auf diesen Punkt hingewiesen: Die Systemleistung hängt davon ab, dass das Design der Zellen und des Batteriepacks auf den tatsächlichen Betriebszyklus abgestimmt ist.

Warum Siliziumanoden so viel Aufmerksamkeit auf sich ziehen 

Von Seiten von Amprius erläuterte Dr. Stefan, warum Silizium nach wie vor eine der wichtigsten Richtungen in der Entwicklung von Lithium-Ionen-Zellen darstellt. Herkömmliche Zellen verwenden in der Regel Graphit auf der Anodenseite, wo Lithium-Ionen durch Interkalation gespeichert werden. Silizium kann weitaus mehr Lithium speichern als Graphit, weshalb es ein vielversprechender Weg zu einer höheren spezifischen Energie ist. Im Webinar beschrieb Amprius, dass Silizium etwa die zehnfache Lithiumspeicherkapazität von Graphit besitzt.

Dieser Vorteil ist jedoch mit einer großen Herausforderung hinsichtlich der Materialien verbunden. Graphit dehnt sich während der Lithiierung relativ wenig aus, während Silizium deutlich stärker quillt. Wie Dr. Stefan erklärte, muss dieses Quellen durch die Struktur der Anode und das gesamte Zelldesign berücksichtigt werden. Deshalb geht es bei Zellen mit hoher Energiedichte nicht nur um die Auswahl eines neuen Materials. Sie hängen von der Lösung eines umfassenden Material- und Fertigungsproblems ab.

Bei der spezifischen Energie geht es um die gesamte Zelle, nicht um ein einzelnes Material

Eine weitere wichtige Erkenntnis aus dem Webinar war, dass die spezifische Energie nicht allein durch die Chemie bestimmt wird. Amprius erklärte, dass es nur zwei wesentliche Möglichkeiten gibt, die spezifische Energie zu verbessern: entweder den Anteil der aktiven Materialien zu erhöhen oder den Anteil der inaktiven Materialien in der Zelle zu verringern. In der Praxis bedeutet dies, dass Verbesserungen nicht nur durch bessere Anoden und Kathoden erzielt werden, sondern auch durch eine optimierte Zellarchitektur, leichtere Tragstrukturen und ein effizienteres Verhältnis von aktiven zu inaktiven Materialien.

Dieser Gedanke steht in direktem Zusammenhang mit dem Design auf Systemebene. Während der Fragerunde wiesen beide Referenten darauf hin, dass Komponenten auf Pack-Ebene die auf Zellebene erzielten Vorteile leicht zunichte machen können. Gehäuse, Schutzelektronik, Komponenten für das Wärmemanagement und BMS-Komponenten tragen alle zu Gewicht und Volumen bei. Mit anderen Worten: Teams können in hochwertige Zellen investieren und dennoch auf Pack-Ebene an Energiedichte einbüßen, wenn der Rest der Batterie nicht sorgfältig konstruiert wird.

Leistung, Energie und Anwendungsbereich

Im Webinar wurde auch ein weit verbreiteter Irrtum angesprochen: Eine hohe Energiedichte bedeutet nicht, dass die Leistung keine Rolle mehr spielt. Insbesondere beim elektrischen Flug erfordern Start und Landung oft eine hohe Leistung, während im Reiseflug eine hohe Energiedichte von Vorteil ist. Amprius zeigte, dass zusätzliche Wh/kg die nutzbare Reichweite direkt verlängern können, sobald die Leistung für diese Spitzenphasen verfügbar ist. Dan-Tech ergänzte diese Sichtweise, indem es aufzeigte, dass verschiedene UAV-Klassen sehr unterschiedliche Leistungskurven aufweisen und daher unterschiedliche Batteriestrategien erfordern.

Deshalb ist die Eignung für die jeweilige Anwendung so entscheidend. Manche Systeme profitieren am meisten von Ausdauer, andere von Spitzenleistung, und viele benötigen eine ausgewogene Kombination aus beidem. Der Nutzen von Zellen mit hoher Energiedichte hängt davon ab, ob die Anwendung diese zusätzliche spezifische Energie tatsächlich in eine längere Laufzeit, ein geringeres Gewicht oder eine bessere Einsatzfähigkeit umsetzen kann.

Sicherheit und Zertifizierung müssen frühzeitig integriert werden

Das Webinar machte zudem deutlich, dass Sicherheit und die Einhaltung von Vorschriften nicht als Aufgaben behandelt werden dürfen, die erst in einer späten Phase anfallen. In der Präsentation von Dan-Tech ging es um die Notwendigkeit, Akkus so zu konstruieren, dass sie Vibrationen, Stößen, Kurzschlüssen und elektromagnetischen Störungen standhalten, und gleichzeitig die Voraussetzungen für den Transport sowie Produktzertifizierungen wie UN 38.3, IEC 62133, UL, CE und die Anforderungen an die Kennzeichnung von Batterien zu schaffen.

Ein nützlicher praktischer Hinweis aus der Sitzung war, dass die Zertifizierung bereits in einer frühen Phase Einfluss auf Designentscheidungen nehmen sollte, darunter Spannungspegel, Segmentierung des Akkupacks und mechanische Architektur. Ran merkte an, dass es je nach Anwendung den Zertifizierungsprozess manchmal vereinfachen kann, wenn man unter 60 V bleibt oder Systeme in Module mit niedrigerer Spannung aufteilt.

Abschließende Überlegungen

Die wichtigste Erkenntnis aus dem Webinar war einfach: Beim Design von Batterien mit hoher Energiedichte geht es nicht nur darum, einen höheren Wert für Wh/kg anzustreben. Es geht vielmehr darum, fortschrittliche Zelltechnologie in ein Batteriesystem zu übertragen, das sicher, herstellbar, zertifizierbar und wirklich für seine Anwendung optimiert ist. Das bedeutet, auf beiden Ebenen gleichzeitig zu denken: Innovation auf Zellebene und Design auf Systemebene.

Möchten Sie das Thema weiter vertiefen? Die vollständige Aufzeichnung des Webinars ist hier verfügbar

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