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Die Batterie ist das Herzstück moderner Elektroautos. Ihre Beschaffenheit bestimmt letztlich darüber, wie viele der umweltfreundlichen Flitzer zukünftig herumstromern. Gebraucht werden sie dringend auf unseren Straßen, um den CO₂-Ausstoß zu reduzieren und so das Klima zu schützen. Im Forschungsprojekt CoolBat wird deshalb untersucht, wie innovative Konstruktionsprinzipien, Materialien und Produktionsverfahren dazu beitragen können, die Gehäuse der Batteriesysteme klimafreundlich und mit besseren Gebrauchseigenschaften herzustellen.

Die Idee dahinter ist ganz einfach: Werden die Gehäuse leichter, steigt die Reichweite der Elektroautos. Gleichzeitig wollen die Forscherinnen und Forscher die Leistung der Batterien verbessern und ein schnelleres Laden ermöglichen. Die Herstellung der Gehäuse soll mithilfe neuer Erkenntnisse (vor allem aus dem Leichtbau) gegenüber bisherigen Verfahren deutlich effizienter werden.

Einzelsysteme werden kombiniert

Dafür wird jeder Entwicklungsschritt genau auf seine CO₂-Einsparmöglichkeiten und CO₂-Bindung hin überprüft. Denn zu den Elementen des Batteriesystems eines E-Autos gehört nicht nur das Batteriemodul mit seinen Zellen, sondern auch das Gehäuse mit Strukturen zur Lastverteilung und Temperaturregelung. Dazu zählen unter anderem Rahmen, Deckel und Bodenplatten. Sie schützen die Batterien vor Überhitzung und vor Beschädigungen bei Unfällen. Die Forschenden wollen jetzt mehr Funktionen auf kleinerem Bauraum und mit weniger Schnittstellen integrieren. Dafür kombinieren sie Einzelsysteme, die zukünftig thermische und mechanische Aufgaben vereinen sollen. Tragstrukturen beinhalten künftig direkt eingegossene sogenannte Temperierkanäle. In den Bodenplatten wird beispielsweise die Funktion der Kühleinheit mit der des Crash-Schutzes in einer Komponente verbunden.

Aluminiumschaum macht´s möglich

Möglich werden soll das durch den Einsatz von Aluminiumschaum. Das leichte Material nimmt bei Unfällen einen großen Teil der Energie auf, die durch den Aufprall entsteht. Kombiniert wird der Aluminiumschaum mit einem sogenannten Phasenwechselmaterial, das viel Wärme- und Kälteenergie speichern und nach Bedarf wieder abgeben kann. Die Kombination der beiden Materialen senkt zusätzlich den Energieaufwand zur Kühlung der Elektrobatterie. Die Deckel des Batteriegehäuses werden so konstruiert, dass das Gehäuse die darauf einwirkenden Lasten optimal abfangen kann.

Das Projektteam entwickelt und erprobt außerdem neue Wärmeleitwerkstoffe. Sie ersetzen bisher aufwendig hergestellte und daher teure sowie wenig umweltfreundliche Wärmeleitpasten. Auch auf nachhaltige Materialien für den Brandschutz wird geachtet. Dank solcher integrierenden Leichtbaulösungen können zukünftig 15 Prozent CO₂ pro Batteriegehäuse eingespart werden. In den heutigen Batteriegehäusen steckt also noch viel Optimierungspotenzial.

Blaupause für andere Branchen und Anwendungen

Seit Mai 2021 und noch bis April 2024 läuft das Forschungsprojekt „CoolBat – CO₂-einsparende Leichtbaulösungen am Demonstrator. Batteriegehäuse der nächsten Generation“, das vom BMWK im Technologietransfer-Programm Leichtbau (TTP LB) mit rund 2,9 Millionen Euro gefördert wird. Die Ergebnisse sollen später auch auf andere Anwendungen und Branchen übertragen werden, in denen große Batterien zum Einsatz kommen - zum Beispiel in Zügen, Flugzeugen und Schiffen oder bei Lebensmittel- und Medizintransporten.

Projektpartner sind das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU (Koordination), Auto-Entwicklungsring Sachsen FES/AES, Fraunhofer IFAM Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung IFAM, Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Fraunhofer Wilhelm-Klauditz Institut für Holzforschung WKI, INVENT, Compositence, iPoint-systems, TIGRES, LXP Group, Basdorf, Lampe & Partner und MID Solutions.