TU Graz schützt E-Auto-Batterie mit Holz-Stahl-Konstruktion

Forscher der TU Graz haben ein umweltfreundliches Gehäuse für E-Auto-Batterien entwickelt. Die Holz-Stahl-Konstruktion schneidet laut den Österreichern bei Sicherheitsexperimenten und -simulationen „hervorragend“ ab, beim Brandschutztest sogar besser als der Marktstandard.

Im Betrieb sind E-Autos sehr ressourcenschonend, in der Herstellung erzeugen die Batterie und zugehörige Komponenten aber nach wie vor einen großen ökologischen Fußabdruck. Einem Team um Florian Feist vom Institut für Fahrzeugsicherheit ist es im Projekt „Bio!Lib“ gelungen, das schützende Gehäuse von E-Auto-Batterien statt aus Aluminium aus Holz und dünnem Stahlblech zu fertigen. Die Umweltbelastungen dieses Gehäuses sind den Angaben nach deutlich geringer, bei Verformungs- und Brandschutz-Tests schneide es teilweise sogar besser ab.

Das Batterie-Gehäuse ist für den sicheren Betrieb von Elektroautos von entscheidender Bedeutung: Bei einem Unfall schützt es die Batterieelemente vor zu starker Verformung und damit vor einem Batteriebrand. Üblicherweise besteht das Gehäuse aus kammerförmig aufgebauten Aluminium-Strangpressprofilen. Solche Gehäuse sind sicher, aber in der Herstellung sehr energieintensiv.

„In unserem Projekt Bio!Lib haben wir daher auf Aluminium verzichtet“, erklärt Florian Feist. „Stattdessen verwenden wir eine sehr dünne Stahlhaut, deren Kammern mit Holz gefüllt sind. Die Stahlhaut wird direkt im Beisein des Holzkerns verschweißt.“ Holz habe den Vorteil, dass es aus winzigen Zellen besteht, die unter hoher Druckbelastung kollabieren und dadurch bei einem Crash viel Energie aufnehmen können.

Auch der Unterboden und der Deckel bestehen aus diesem Stahl-Holz-Komposit, das Innere der Batterie ist mit rippenähnlichen Querstreben verstärkt. „Wir waren selbst erstaunt, wie gut unser Gehäuse bei einem simulierten Crash performt“, so Feist. Beim kritischen Pfahl-Crashtest, bei dem Fahrzeuge oder Komponenten mit hoher Geschwindigkeit auf einen runden Stahlpfeiler prallen, seien die Intrusionswerte des Bio!Lib-Gehäuses fast identisch mit denen des Aluminium-Batteriegehäuses des Tesla Models S.

Kork als Brandschutz

Neben dem Aufprallschutz sind Feuer- und Hitzebeständigkeit entscheidende Funktionen von Batteriegehäusen. Als Brandschutzmaterial setzten die Forscher ebenfalls auf einen nachwachsenden Rohstoff: Kork. „Wenn Kork sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist, verkohlt er“, erklärt Feist. „Durch die Verkohlung kommt es zu einem starken Abfall der ohnehin bereits relativ geringen Wärmeleitfähigkeit, wodurch die dahinter liegenden Strukturen geschützt sind.“ Dies gelte auch für den Innenraum des Fahrzeugs. Bei einem Pyrotechniktest, der einen Batteriebrand simuliert, habe der Batteriedeckel Temperaturen von über 1300 Grad und dem Beschuss mit Aluminium und Kupferpartikeln standgehalten. Das korkisolierte Bio!Lib-Gehäuse habe sogar die Tesla-Konkurrenz übertrumpft: Auf der brandabgewandten Seite sei die Temperatur rund 100 Grad Celsius niedriger gewesen.

Zur Bewertung der Nachhaltigkeit ihres Metall-Holz-Hybrid-Designs kooperierten die Forscher mit dem Wegener Center für Klima und Globalen Wandel der Uni Graz. Sie ermittelten die Umweltauswirkungen aller verwendeten Materialien und Komponenten, von der Nutzung von Primärenergie, Wasser und Land bis hin zur Belastung von Böden und Gewässern mit Giftstoffen. „In allen Bereichen schneidet das Bio!Lib-Gehäuse besser ab als der Marktstandard aus Aluminium – lediglich bei der Impaktkategorie ‚Landnutzung‘ war es anders herum“, sagt Feist.

In einem Nachfolgeprojekt will das Projektteam, bestehend aus Industrie- und Forschungspartnern, ermitteln, ob für das Gehäuse auch niederwertiges Holz – zum Beispiel aus Durchforstung oder aus sekundärer Nutzung – zum Einsatz kommen kann. Zudem wollen die Forscher die Wiederverwendbarkeit des Korks und die Recyklierbarkeit der Komponenten optimieren.