Lithium-Schwefel-Batterien für die Luftfahrt

IASA e.V. - nachhaltige Luftfahrt

LiMeS-Konsortium entwickelt Produktionsprozess für Hauptkomponente verschiedener Batterietypen

Batteriesysteme gewinnen auch in der Luftfahrt immer mehr an Bedeutung – nicht in erster Linie für die Energieversorgung des Antriebs, sondern als Energielieferant für Hilfssysteme. Denn ebenso wie die Flotten der Automobil- hersteller müssen auch die Flugzeuge zukünftig weniger CO2-Ausstoß bei glei- cher Leistung bieten. In einem neuen Projekt werden Komponenten für leichte Hochleistungsbatterien auf Li-Schwefel-Basis entwickelt.

Auch vor dem Fliegen macht die Elektrifizierung nicht halt. Kleine und große Flugzeuge werden mit elektrischen Antrieben entwickelt. Das können voll-elektrische oder hybrid- elektrische Antriebssysteme sein. Diese machen dann Sinn, wenn sie lokal Emissionen vermeiden, Energie in Flugphasen mit Bedarfsspitzen zur Verfügung stellen oder wenn sie Nebenaggregate genau dann mit Strom versorgen, wenn dieser benötigt wird. Dafür sind leichte und möglichst leistungsfähige Batterien notwendig. Für die Luftfahrt gelten nicht die starken Kostenbeschränkungen wie in der Automobilindustrie.

Geringes Gewicht bei hoher Energiedichte

Lithium-Schwefel-(Li-S-)Batterien besitzen das Potenzial für den Bau von Batteriesyste- men mit hoher Energiedichte und gleichzeitig geringem Gewicht. In ihnen sind keine schweren Metalle in der Kathode enthalten wie bei Lithium-Ionen-(Li-Ionen-)Batterien. Allerdings sind Li-S-Batterien heute noch nicht so ausgereift wie Li-Ionen-Batterien, insbesondere hinsichtlich der Zyklenfestigkeit.

Ein Konsortium unter Leitung von Airbus nimmt sich nun den Herausfor- derungen der Weiterentwicklung und Optimierung von Li-S-Batterien fürdie Luftfahrt an. Auf Basis von Anforderungen und Lastprofilen, wie sie bei Airbus auch für andere Entwicklungen genutzt werden, wollen die Forscher den Entwicklungsstand der Li-S-Batterietechnologie vorantreiben.

Neben der Verbesserung der Kathode aus Schwefel und Kohlenstoff mit Hilfe neuer Verarbeitungsverfahren und der Erprobung von Hybridsystemenfür den Elektrolyt – also der Mischung von Flüssig- und Fest-Elektrolyt – ist die Herstellung der Lithium-Metall-Anode durch einen neuen, elektro- chemischen Prozess eines der Kernthemen des Projekts.

Optimierte Lithiumbeschichtung durch elektrochemischen Prozess

Bisher werden Li-Metall-Anoden, die außer in Li-S-Batterien auch in einigen Typen von Li-Ionen-Batterien sowie in Festkörperbatterien eingesetzt werden, mit Hilfe von ge- walzten Li-Folien hergestellt. Diese können heute jedoch nicht viel dünner als 30 Mikro- meter hergestellt werden, denn Lithiummetall neigt dazu, an anderen Oberflächen zu kleben. Deswegen muss eine gewisse Dicke für eine minimale mechanische Stabilität gegeben sein. Weil 30 Mikrometer jedoch oft mehr sind, als die Zelle elektrochemisch benötigt, schleppen diese Zellen unnötiges Gewicht und unnötige Kosten mit.

Um dies zu ändern, arbeitet die Abteilung Galvanotechnik des Fraunhofer IPA an einem elektrochemischen Prozess, mit dem beliebig starke Lithiumschichten in einem Schritt auf Metallfolien aufgebracht werden können. Ein solcher Prozess bietet die Möglich- keit, genau die Menge an Lithium auf die Elektrode zu bringen, die technisch benötigt wird. Außerdem können nicht nur glatte, sondern auch strukturierte Elektrodenfolienbeschichtet werden.

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Neue elektrochemische Prozesse zur Abscheidung von Lithiummetall für Batterieanoden in Schutzatmosphäre. Quelle: Fraunhofer IPA, Foto: Rainer Bez

Mit dieser Entwicklung erweitert das Fraunhofer IPA die Palette an Produktionsprozes- sen für eine Hauptkomponente von verschiedenen Batterietypen und hilft, zukünftig Kosten und Ressourcen bei der Batteriezellfertigung einzusparen. Elektrochemisch basierte Abscheide- oder Applikationsprozesse haben das Potenzial, bei Umgebungs- bedingungen technologisch wichtige Metallschichten zu erzeugen, die sonst nur durch sehr aufwendige Verfahren herstellbar sind.

Quelle: Fraunhofer IPA

Weiterer Schritt zur CO2-Neutralität durch E-Mobility-basiertes Luftfracht-Handling

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Ab sofort sorgen vier komplett elektrisch betriebene Fracht- und Gepäckschlepper für einen schnellen, leisen und emissionsfreien Frachtguttransport auf dem Flughafen Stuttgart. Ebenso kraftvoll, aber bis zu 60  Prozent sparsamer als dieselbetriebene Fahrzeuge, ziehen seit Anfang September die »SHERPA« E von Goldhofer sämtliche Luftfrachtgüter an ihre Bestimmungsorte. „2018 ist es uns erstmals gelungen, den Passagier- und Gepäcktransport auf dem Vorfeld batteriebetrieben und abgasfrei abzuwickeln. Das haben wir durch den Austausch dieselbetriebener Frachtschlepper mit den abgasfreien Goldhofer-Modellen jetzt auch im Cargo-Bereich geschafft“, so Dr. Arina Freitag, Geschäftsführerin der Flughafen Stuttgart GmbH.

Bei der Planung, Organisation und Einrichtung einer entsprechenden Lade-Infrastruktur waren die Airport-Technology-Experten von Goldhofer eng mit eingebunden. „Dass die Stärke, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit unserer Hochleistungsschlepper dabei mithelfen, die anspruchsvollen Klimaziele des Stuttgarter Flughafens in die Tat umzusetzen, freut uns sehr. Gleichzeitig spornt es uns an, unsere Entwicklungen nachhaltiger und umfassender Ground-Handling-Konzepte weiter voranzutreiben“, so Lothar Holder, Sprecher des Vorstands der Goldhofer AG und Leiter des Geschäftsfelds Airport Technology.

Seit Oktober ist der Flughafen Stuttgart seinem Ziel der CO2-Neutralität einen weiteren Schritt näher gekommen. Der Grund: Die Flotte der Frachtschlepper ist nun komplett mit »SHERPA« E von Goldhofer bestückt. Durchgängig elektrisch betrieben lösen die völlig abgasfreien und geräuscharmen Modelle die bisher eingesetzten Diesel-Fahrzeuge ab. Gründe für den Austausch sind die mit den neuen Fahrzeugen einhergehenden operativen und wirtschaftlichen Effizienzsteigerungen sowie die Förderung nachhaltiger Umweltverträglichkeit – kurz: Energieeinsparungen, Emissionssenkungen und Lärmreduzierungen. Davon profitieren alle Beteiligten: der Flughafen Stuttgart, die Flugfrachtanbieter sowie die Mitarbeiter auf dem Rollfeld.

Ausdauernd und sparsam – »SHERPA« E
Die E-Schlepper von Goldhofer vereinen genau wie dieselbetriebene Modelle dasselbe hohe Niveau an Zuverlässigkeit, Sicherheit und Flexibilität. Die hocheffiziente, 400-V-Lithium-Ionen-Batterie bietet sehr kurze Ladezeiten, erlaubt Zwischenladungen und ist über 30 Prozent ausdauernder im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien. Gegenüber dieselbetriebenen Fahrzeugen ergeben sich Energie-Einsparungspotenziale von bis zu 80 Prozent. Die Goldhofer »IonMaster« Technology ermöglicht das Zwischenladen in jeder noch so kurzen Pause. Da­durch lässt sich der »SHERPA« E über mehrere Schichten hinweg nahezu pausenlos einsetzen. Ein aktiv gesteuertes Temperaturmanagement sorgt dabei für eine maximale Lebensdauer der Batterie. Der emissionsfreie »SHERPA« kann in Gebäuden wie im Freien verwendet werden. Das Modell bietet verschiedene Ballastierungen sowie drei Kabinenoptionen an. Diese individuelle Konfigurierbarkeit ermöglicht eine individuelle Fahrzeuganpassung an die spezifischen Anforderungen und Gegebenheiten des jeweiligen Flughafens.

Kraftvoll, nachhaltig und wirtschaftlich – »IonMaster« Technologie
Zum reibungslosen Betrieb des »SHERPA« E setzt Goldhofer auf seine »IonMaster«-Technologie, einen leistungsstarken Elektro-Antrieb mit Lithium-Ionen Hochvolt-Batterie. Als modulares, effizientes und langlebiges Antriebskonzept ermöglicht die »IonMaster«-Technologie in Verbindungen mit unterschiedlichen Ladeinfrastrukturen den hocheffizienten Einsatz von Fahrzeugen. Der Fuhrpark ist somit quasi ständig einsatzverfügbar und kann je nach Flughafenlogistik auf ein Minimum an Fahrzeugen reduziert werden.

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Kraftvoll, emissionsfrei und leise – der vollelektronische Gepäck- und Fracht- Schlepper »SHERPA« E im Einsatz. (Foto: Flughafen Stuttgart)

Vorreiter in Sachen CO2-Neutralität
Durch den Austausch der Diesel-Frachtschlepper mit den elektrisch betriebenen Goldhofer-Modellen hat der Flughafen Stuttgart eine weitere Etappe in Richtung einer vollumfänglichen E-Mobilitäts-Flotte erreicht. Als Mitglied der Klimaschutzinitiative Airport Carbon Accreditation (ACA) erhielt der größte baden-württembergische Flughafen erst kürzlich zum dritten Mal in Folge die Zertifizierung des Dachverbands der europäischen Verkehrsflughäfen ACI Europe für sein CO2-Management.

Quelle: Goldhofer