Wenn es um die Zukunft der Elektrifizierung geht, wird immer deutlicher: Es gibt keine einheitliche Lösung für sämtliche Segmente und Anwendungen. Jede Batteriezelle und jedes System kann und sollte auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten sein. Die Experten von Freudenberg e-Power Systems (FEPS) arbeiten deshalb gezielt an innovativen Lösungen für die maritime Industrie – und haben dabei einen weiteren Meilenstein erreicht.
Lithium Eisenphosphat (LFP) und Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) sind zwei der gebräuchlichsten chemischen Systeme, um Schiffe mit Strom zu versorgen. LFP-Batterien haben Vorteile bei Lebensdauer, Kosten und thermischer Stabilität, während die nickelhaltige NMC-Chemie eine höhere Energiedichte, Reichweite und Leistung ermöglicht. Aber kann man die Eigenschaften dieser beiden chemischen Systeme kombinieren und eine hochmoderne Lösung entwickeln? Die Antwort lautet: Ja.
Das Ergebnis dieser Kombination ist die FEPS GEN 3 SHP-Energiezelle der nächsten Generation mit einer Einkristall-NMC-Kathode aus Mittelnickel. Sie zeichnet sich durch eine lange Lebensdauer, eine hohe Energiedichte, eine hohe C-Ladungsrate und – unter bestimmten Bedingungen (?) – auch eine hohe thermische Stabilität aus. Damit bringt sie das Beste aus beiden Welten zusammen und bietet Kunden äußerst wettbewerbsfähige Gesamtbetriebskosten für maritime und andere Schwerlastanwendungen.
Dank des langjährigen, intensiven Engagements im Bereiche Forschung und Entwicklung ist FEPS in Kürze in der Lage, als eines der ersten Unternehmen eine Einkristall-NMC-Zellenlösung mit mittlerem Nickelgehalt anzubieten. Sie wird in Anwendungen enthalten sein, die ab 2026 verfügbar sind.
Kurze Zeitfenster für das Be- und Entladen von Personen und Fracht, die Dekarbonisierung stark frequentierter Häfen und höhere Sicherheitsstandards stellen Schiffsbetreiber vor besondere Herausforderungen – gerade mit Blick auf die Stromversorgung maritimer Anwendungen.
Nach Angaben der Internationalen Seeschifffahrtsorganisation (IMO) wickeln Schiffe mehr als 80 Prozent des Welthandels ab. Die Branche ist deshalb für den globalen Klimaschutz von besonderer Relevanz: Im Jahr 2023 hat die IMO das Ziel ausgerufen, in der internationalen Schifffahrt bis 2050 Netto-Null-Emissionen zu erreichen. In der Europäischen Union sind im Januar 2025 neue Vorschriften in Kraft getreten, die eine schrittweise Reduzierung der Treibhausgas-Emissionen vorsehen. Sie betreffen Schiffen mit einer Bruttoraumzahl von mehr als 5.000, die in EU-Häfen anlegen. Alternativen zu Schiffen, die mit herkömmlichem Schweröl betrieben werden, sind angesichts dieser Normen zunehmend gefragt.
Die Batteriezellen und -systeme von Freudenberg e-Power Systems treiben bereits seit fast einem Jahrzehnt teil-elektrische Fähren an. Auf Basis langjähriger Erfahrungen als Anbieter maritimer Batterielösungen ist das Unternehmen überzeugt, dass die neue Zelltechnologie ein großer Schritt nach vorne ist – sowohl für den Klimaschutz als auch für die Schifffahrt.
Denn in Kombination mit einem hochmodernen Pack-Design bietet die innovative Energiezelle Schiffsbauern und Werften die Gelegenheit, die Emissionen und die Umweltbelastung der Schiffe deutlich zu reduzieren und gleichzeitig das Fahrerlebnis der Passagiere zu verbessern.
Nach Angaben des Maritime Battery Forum wurden bis zum Jahr 2025 mehr als 1500 batteriebetriebene Schiffe in ihr Schiffsregister eingetragen. Der Organisation zufolge ist die Nachfrage in den letzten Jahren stetig gestiegen – vor allem dank Auto- und Passagierfähren. Doch wie in vielen anderen Branchen gibt es noch Raum für Wachstum, und die Experten von FEPS sind überzeugt, dass die einkristalline NMC-Kathodenchemie mit mittlerem Nickelgehalt das Interesse an Batterielösungen für maritime Anwendungen erhöhen wird.
"Die SHP-Energiezelle der Generation 3 kombiniert eine sehr lange Zykluslebensdauer mit einer hohen Laderate", sagt Dr. Kevin Dahlberg, Freudenberg e-Power Systems Vice President of Cell Development. "Sie ist die perfekte Lösung für Anwendungen, bei denen eine MW-Ladeinfrastruktur, eine hohe Ladegeschwindigkeit und eine lange Lebensdauer erforderlich sind.“
Um die Vorteile der GEN 3 SHP-Stromzelle zu veranschaulichen: Mit einer Laderate von 2C dauert das Aufladen weniger als 30 Minuten. Dadurch können Schiffe während des Be- und Entladens von Passagieren und Fracht im Hafen Energie aufnehmen und im Zeitplan bleiben. Darüber hinaus sind hohe Batterie-Lade- und Entladeraten möglich, ohne dass die Lebensdauer der Zelle beeinträchtigt wird.
"Wir ermöglichen durch eine einzige Installation auf einem Schiff einen jahrelangen Einsatz mit hoher Energiedichte und hoher Betriebszeit", sagt Dahlberg.
Die Technologie wurde in der Forschungs- und Entwicklungseinrichtung von FEPS in Auburn Hills (Michigan) entwickelt.
Bereits 2018 haben die FEPS-Experten verschiedene Technologien analysiert, darunter die Nickel-Mangan-Kobalt-Kathode NMC811. Die Zahlenfolge "811" bezieht sich dabei auf den Gehalt kathodenaktiven Materials (CAM-Pulver). Im Fall von NMC811 beträgt das Verhältnis 80 Prozent Nickel, 10 Prozent Mangan und 10 Prozent Kobalt.
Die Tests mit Zellen, die diese nickelhaltige NMC-Kathode enthielten, verliefen ermutigend. Die Chemiker von FEPS erzielten eine besonders lange Zykluslebensdauer mit hohen Lade- und Entladeraten erreichen, und wenig später konnte das Unternehmen eine der ersten nickelreichen Zellen auf NMC-Basis auf den Markt bringen.
Bei den thermischen Tests waren die Ergebnisse jedoch noch nicht optimal. Deshalb entschieden sich die FEPS-Experten, sich bei ihrer Forschung auf eine Chemie mit geringerem Nickelgehalt zu konzentrieren. In der Folge entwickelte das Team eine NMC-Zelle mit geringerem Nickelgehalt, die derzeit in XPAND-Packs verwendet wird.
Danach wollten die Chemiker von Freudenberg e-Power Systems herausfinden, ob es einen Weg gibt, das Beste beider Technologien zusammenzubringen – also eine Zelle zu entwickeln, die eine optimale Balance zwischen Zykluslebensdauer, Laderate, Energiedichte, thermischer Stabilität (unter den vorgesehenen Bedingungen) und Nutzen für unsere Kunden herstellt.
Das Forschungs- und Entwicklungsteam unter der Leitung von Dr. Kevin Dahlberg nahm deshalb die grundlegenden Mechanismen in Zellen und die Kathodenchemie genauer unter die Lupe. Ihr Ziel: eine Zelle, die auf einem einkristallinen NMC-Kathodenaktivmaterial (CAM) aus Mittelnickel basiert.
Traditionell werden NMC-Partikel in einem sogenannten Co-Präzipitationsprozess hergestellt, bei dem ein primäres und sekundäres Partikelgerüst entsteht. Die Sekundärpartikel sind Cluster aus kleineren Primärpartikeln und bilden zusammen ein polykristallines Material. In der Regel sind die Primärpartikel etwa 0,2 bis 0,3 Mikrometer groß, während die Sekundärpartikel etwa 5 bis10 Mikrometer groß sind.
Die Partikel bieten einen ausreichenden Oberflächenkontakt mit dem Elektrolyten, so dass das Lithium in und um die Primär- und Sekundärpartikel diffundieren kann. Polykristallines Material eignet sich gut für den Einsatz in Zellen, aber das Laden und Entladen der Partikel geht mit starken Ausdehnungs- und Kontraktionsbewegungen einher (?), die zu einer Abnutzung führen.
"Bei polykristallinen NMC-Partikeln kommt es nach einem Ladezyklus häufig zu Rissen. Das führt zu begrenzten Zykluslebensdauern", sagt Dahlberg.
Stellen Sie sich das wie ein Glas vor, das Feuer ausgesetzt ist: Das Glas erwärmt sich in der Regel ungleichmäßig; die Temperatur im Bereich direkter Hitze ist weitaus höher. Dieser Unterschied führt dazu, dass das Glas irgendwann bricht.
Dies ähnelt dem, was mit polykristallinen Kathodenpartikeln in einer Zelle geschieht, in der Hitze und thermische Schocks mit dem Ladungsanstieg (?) mechanische Spannungen verursachen. Die FEPS-Forschung zeigt, dass polykristallines NMC umso instabiler ist, je höher der Nickelgehalt ist.
Hier sehen Sie Bilder der polykristallinen NMC-Kathodenelektroden mit mittlerem Nickelgehalt, die FEPS zu Beginn und am Ende ihres Lebenszyklus getestet hat. Beachten Sie den Unterschied zwischen den beiden Zellen: Die rechte Zelle weist am Ende ihrer Lebensdauer deutliche Risse und eine Pulverisierung der Partikel auf.
Um dieses Problem zu lösen, befasste sich Dahlbergs Team zunächst mit frühen Forschungsarbeiten zu einkristallinen NMC-Partikeln.
Zudem nutzten die Experten firmeneigenes Know-how und arbeiteten mit Lieferanten zusammen, um Elektroden und Zellen mit modernstem einkristallinem NMC zu entwickeln. Dieses einkristalline Material macht es in Kombination mit dem firmeneigenen Elektrodendesign von FEPS möglich, dass sich die Partikel gleichmäßiger ausdehnen und zusammenziehen. Das reduziert die Rissbildung erheblich und minimiert zudem Nebenreaktionen an der Oberfläche.
Hier sehen Sie ähnliche Bilder wie oben, diesmal von der einkristallinen NMC-Kathode mit mittlerem Nickelgehalt. Die Kathode auf der rechten Seite zeigte am Ende ihrer Lebensdauer eine gute Leistung mit minimaler Rissbildung – ganz anders als ihr polykristallines Gegenstück.
Die Tests zeigen zudem, dass einkristalline NMC-Kathodenmaterialien mit mittlerem Nickelgehalt eine deutlich höhere thermische Stabilität aufweisen als nickelreiche, polykristalline Materialien.
"Die einkristalline Morphologie mit mittlerem oder geringerem Nickelgehalt war im Hinblick auf das Wärmemanagement akzeptabler und bot ein großes Innovationspotenzial", erklärt Dahlberg. Die nächste Herausforderung bestand darin, das optimale Gleichgewicht zwischen Energiedichte, Ladegeschwindigkeit, thermischer Stabilität und Zykluslebensdauer zu finden.
Dahlbergs Team begann deshalb mit einer Reihe neuartiger Testmethoden, einschließlich thermischer Missbrauchstests.
Und je mehr die Experten recherchierten, desto klarer wurde: Die von Freudenberg e-Power Systems entwickelte einkristalline NMC-Kathodenchemie mit mittlerem Nickelgehalt würde es den Zellen ermöglichen, bei den Ladezyklen (?) genauso gut, wenn nicht sogar besser abzuschneiden als LFP- und nickelreiche NMC-Zellen auf dem Markt.
Das Ergebnis ist die nächste Generation der SHP-Energiezelle.
"Wir setzen ein Material ein, das eine hohe Zykluslebensdauer aufweist - und machen es leistungsstark", sagt Dr. John Camardese, Leiter der Zellentwicklung bei Freudenberg e-Power Systems.
Diese innovative Zelllösung ist erst der Anfang einer NMC-Chemie, die nach Ansicht unserer Experten das Potenzial hat, die Elektromobilität zu revolutionieren.
Wir werden die Elektrifizierung von Anwendungen ermöglichen, für die es bisher keine praktikablen Lösungen gab."
Die Gen 3 SHP-Energiezelle wird im neuen maritimen Batteriesystem XWAVE zum Einsatz kommen – eine modulare Lösung für Schiffsbauer, Betreiber und maritime Transportunternehmen, die eine hohe Energiedichte bietet und an Bord kompakt und flexibel installiert werden kann.
Aus Sicht der Experten von Freudenberg e-Power Systems ist die einkristalline NMC-Kathode mit mittlerem Nickelgehalt aber auch für weitere Branchen und Segmente geeignet, zum Beispiel im Fernverkehr und für künftige autonome Anwendungen, die mehr Leistung oder Reichweite und kurze Ladezeiten erfordern.
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