Die Technologie hinter Elektrofahrzeugen entwickelt sich schnell, und eine der vielversprechendsten Innovationen ist das Batteriepack.
Strukturelle Batteriepacks sind multifunktionale Materialien, die sowohl der Energiespeicherung als auch der Struktur dienen. Dadurch lassen sich überflüssige Strukturelemente entfernen, was an anderen Stellen des Fahrzeugs Gewicht spart.
Man sagt, sie böten eine „masselose Energiespeicherung“, weil ihr effektives Gewicht geringer ist als das Gesamtgewicht der Zellen, wenn man die Teile berücksichtigt, die sie ersetzen.
Strukturbatterien verändern auch die Art, wie Elektroautos montiert werden. Denn Strukturklebstoffe ersetzen Schrauben und Schweißnähte, um Bauteile mit einem Verfahren namens Klebeverbindung zusammenzukleben. Dieses Verfahren erfordert eine zusätzliche Oberflächenvorbereitung und stellt Automobil- und Batteriehersteller vor neue Herausforderungen.
Klassische Batteriepacks dienen hauptsächlich dazu, elektrische Energie bereitzustellen, tragen aber auch dazu bei, den Fahrzeugrahmen zu verstärken. Strukturelle Batteriepacks gehen in dieser Rolle deutlich weiter und sind ein wichtiger Teil der tragenden Struktur.
Sehen wir uns zwei Beispiele an, um den Unterschied besser zu verstehen.
Teslas klassische Batteriepacks bestehen aus Rundzellen, die in Modulen eingeschlossen sind. Diese Module bilden ein starres Gehäuse für die Batteriezellen und schützen sie, damit sie keiner Belastung ausgesetzt sind.
In Teslas Strukturbatterien sind die Rundzellen dagegen nicht in Modulen eingeschlossen. Stattdessen werden die Zellen zuerst miteinander verklebt und anschließend mit einem oberen und einem unteren Metallblech verbunden.
So entsteht eine feste Struktur, die Karosserie und Fahrgestell des Fahrzeugs verstärkt und zugleich Verwindungssteifigkeit und Schubübertragung bietet.
Die durch strukturelle Batterien erzielten Verbesserungen sind beachtlich:
Diese Verbesserungen [beim Model Y von Tesla] führen zu 10 % weniger Gewicht, 14 % mehr Reichweite, einer deutlichen Verringerung der Teilezahl und einer insgesamt höheren strukturellen Integrität des Fahrzeugs.
Auszug aus Tesla Model Y with Structural Battery May Already Be in Production, Owner’s Manual Hints
GM verfolgt einen anderen Ansatz. Im Hummer EV verwendet der Hersteller Pouch-Zellen, die durch Module geschützt werden, und die Batteriepacks werden im Fahrgestell verbaut.
Die Ultium-Batteriepacks werden im Fahrgestell des Fahrzeugs verbaut und versteifen es. Das wiederum verbessert Fahrverhalten und Handling und verringert zugleich Vibrationen und Härte.
Auszug aus Next step for EVs: Design batteries to strengthen car, extend range
Das sind unterschiedliche Ansätze für Strukturbatterien, doch in allen Fällen erfüllen sie eine zusätzliche Funktion in der Fahrzeugstruktur. Zudem haben sie eine bessere Energiedichte (Wattstunden pro Kilogramm) als klassische Batterien, was die Reichweite der Batterie erhöht.
Zu den Unternehmen, die Strukturbatterien herstellen, zählen Automobilhersteller wie Tesla und GM sowie Batteriehersteller wie BYD und Contemporary Amperex Technology. Einige Automobilhersteller arbeiten mit Batterieherstellern zusammen, um ihre Batteriepacks zu produzieren. Beispiele sind Volvo und Northvolt sowie BMW und ONE (Our Next Energy).
Die Klebeverbindung ist ein kritischer Prozess für Strukturbatterien. Sie dient dazu, Oberflächen miteinander zu verbinden und eine Struktur zu schaffen, die die Belastung gleichmäßig verteilt und dadurch mehr Festigkeit bietet. Verwendet werden dafür Strukturklebstoffe wie Epoxidharz mit Härter, Klebebänder oder doppelseitige Klebefolien.
Klebstoffe erfüllen natürliche viele Zwecke. Indem sie hier mechanische Verbindungselemente ersetzen, verringern sie das Gewicht der Batterie und erhöhen damit ihre Reichweite.
Klebstoffe schützen die Batterie außerdem vor Umwelteinflüssen wie Wasser, Staub, Streusalz und Betriebsflüssigkeiten. Sie verbessern zudem die mechanischen Eigenschaften der Batterie und bieten Schutz vor Stößen und Vibrationen. Schließlich können sie als Wärmeleiter oder Isolatoren wirken und helfen, die Temperatur der Batterie zu regulieren, was Sicherheit und Haltbarkeit verbessert.
Wenn Sie mehr über den Prozess der Klebeverbindung erfahren möchten, können Sie sich das folgende Video ansehen.
Damit die Klebeverbindung gelingt, müssen die zu verbindenden Oberflächen gereinigt werden, indem Verunreinigungen wie Staub, Oxide, Öle, Batterieelektrolyte und Beschichtungen entfernt werden. Das verbessert die chemischen Eigenschaften, die die Oberflächen zusammenhalten.
Bei einer Strukturbatterie stellt der Reinigungsschritt eine Herausforderung dar, weil die gesamte Fläche, die gereinigt und verklebt werden muss, im Vergleich zu klassischen Batterien sehr groß ist. Das bedeutet, dass bei den Reinigungs- und Klebeprozessen noch weniger Spielraum für Fehler oder Ungleichmäßigkeiten bleibt, sonst versagen die Batterien.
Dafür benötigen Hersteller einen zuverlässigen und präzisen Reinigungsprozess. Hier kann die industrielle Laserreinigung helfen.
Die Lasertechnologie bietet zwei zentrale Verfahren, um Batterien auf die Klebeverbindung vorzubereiten: Laserreinigung und Lasertexturierung.
In diesem Video sehen Sie beide Verfahren gleichzeitig im Einsatz.
Die Lasertechnologie eignet sich aufgrund ihrer hohen Präzision und Wiederholgenauigkeit gut dafür, Strukturbatterien auf die Klebeverbindung vorzubereiten. Sie ist schnell, leicht zu automatisieren und wartungsarm, was sie ideal für die anspruchsvollen Anforderungen von Batterie-Produktionslinien macht.
Wenn Sie glauben, dass die Lasertechnologie Ihnen nützen könnte, wenden Sie sich an einen Laserexperten, um Ihre Anwendung zu besprechen.
Titelbild: @shortword/Twitter
Als technischer Experte und Berater für Batterien und elektrische Antriebssysteme verfügt Stéphane über einen Abschluss in Physik mit den Schwerpunkten Photonik, Optik, Elektronik, Robotik und Akustik. Im Rahmen seines Engagements für den Umstieg auf Elektrofahrzeuge hat er industrielle Akkupacks für E-Bikes entwickelt. Nebenbei betreibt er einen YouTube-Kanal rund um das Thema Elektrotechnik.
In den letzten Jahren haben Rechenzentren ein beispielloses Wachstum erlebt, das vor allem durch die rasante Entwicklung der künstlichen Intelligenz (KI) angetrieben wurde. Dieser Anstieg geht mit einem enormen Energiebedarf einher, da immer mehr Rechenzentren gebaut werden und die Rechenlasten immer energieintensiver werden.
Lithium-Ionen-Batterien stellen seit Jahren eine zuverlässige Stromversorgung für eine Vielzahl von Geräten und Elektrofahrzeugen dar. Doch nun kündigt sich mit den Festkörperbatterien eine neue Generation von Stromspeichern an, die das Potenzial hat, die Branche zu revolutionieren. Es stellt sich jedoch die Frage, inwiefern diese Behauptung zutrifft.
Die Batterie ist das teuerste Teil in einem Elektroauto, daher ist ein zuverlässiger Herstellungsprozess wichtig, um kostspielige Defekte zu vermeiden. Zudem ist die Nachfrage nach Batterien für Elektrofahrzeuge hoch, was die Hersteller unter Druck setzt, die Produktion zu maximieren, ohne Kompromisse bei der Qualität einzugehen. Daher ist Roboterautomatisierung fast überall bei der Herstellung von Batterien zu finden.
