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Battery-News.de im Gespräch mit Dr. Jürgen Heydecke: „Wenn Sie an Lithium-Batterien denken, dann denken Sie nicht nur an jene, die im Rahmen der E-Mobilität oder in unseren Smartphones und Laptops zum Einsatz kommen. “

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Autor: Benedikt Hürter

Veröffentlicht am: 29.05.2020

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„Allein über den Import aus Asien wird der Bedarf hierzulande kaum zu decken sein. “ – Wir sprachen mit Dr. Jürgen Heydecke von Jauch über die Herausforderungen der heutigen Energiespeicher, die Produktion in Deutschland und die besonderen Anforderungen der Medizintechnik.
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Neue Chemien müssen ihre Eignung „außerhalb des Forschungslabors erst noch unter Beweis stellen“

Benedikt Hürter: Sehr geehrter Herr Dr. Heydecke, Sie haben die Entwicklungen der Batterietechnologie jahrzehntelang begleitet und gestaltet. Welche Entwicklungen verfolgen Sie momentan mit großem Interesse?

Jürgen Heydecke: Hallo Herr Hürter, zunächst einmal herzlichen Dank für die freundlichen Worte. Ich kann wirklich auf eine spannende Zeit in der Batterie-Industrie zurückblicken. Schon in meiner Doktorarbeit habe ich mich mit wiederaufladbaren Lithium-Batterien beschäftigt. Das war 1982, also knapp zehn Jahre, bevor Sony diese Technologie letztendlich auf den Markt gebracht hat.

Dieser Durchbruch der Lithium-Ionen- und schließlich auch der Lithium-Polymer-Technik war natürlich ein Paukenschlag. Plötzlich war man in der Lage, mit einer einzigen Zelle das Dreifache an Spannung zu erzeugen. Statt 1,2 Volt pro Zelle standen Ihnen nun 3,6 Volt pro Zelle zur Verfügung – wo Sie früher also drei Zellen benötigt haben, reichte nun plötzlich eine einzige. Das hat die Kommunikations- und IT-Branche revolutioniert. Denn mit einem Mal waren ganz andere Bauformen und -größen möglich. Denken Sie nur einmal an die Handys von früher, dann wissen Sie, was ich meine.

Inzwischen ist die Entwicklung der Lithium-Ionen-Technologie natürlich noch ein gutes Stück weiter vorangeschritten. Als Chemiker verfolge ich sehr aufmerksam die Weiterentwicklungen in der Zellchemie und der Zelltechnologie. Ich finde es faszinierend, wie weit die Lithium-Technologie mittlerweile ausdifferenziert ist.

Lithium-Batterien und die Elektromobilität

Sehen Sie, in der öffentlichen Wahrnehmung sind Lithium-Batterien momentan eng mit der E-Mobilität verknüpft. Doch daneben gibt es noch Tausende weitere Applikationen, die ihren Strom aus Lithium-Batterien beziehen. Jede davon hat ihre eigenen, ganz speziellen Anforderungen. Ich gebe Ihnen ein paar Beispiele: In einer Smartwatch brauchen Sie eine extrem kleine Batterie, Notrufsysteme, wie man sie beispielsweise in modernen Autos findet, stellen hohe Anforderungen an die Langzeitstabilität und für den Einsatz in Powertools muss die Batterie extreme Strombelastungen aushalten. Für nahezu jeden Sonderfall können Sie mittlerweile eine Lithium-Batterielösung entwickeln, und genau das tun wir bei Jauch.

Aufgrund dieser großen Vielfalt an Lösungen bin ich überzeugt, dass die Lithium-Ionen-Technologie in der Zukunft nicht so leicht zu ersetzen sein wird. Ich verfolge die Forschung an neuen Ansätzen mit großem Interesse, doch müssen diese Chemien ihre Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit außerhalb des Forschungslabors erst noch unter Beweis stellen.

Für die Automobilindustrie ist „der Aufbau eigener Fertigungskapazitäten in Deutschland bzw. Europa wichtig und sinnvoll“

Benedikt Hürter: Sie entwickeln mit Ihrer Firma in Deutschland und produzieren in Deutschland sowie mit Partnern in Asien. Wie sehen Sie die Bestrebungen zur Etablierung einer deutschen bzw. europäischen Batterieproduktion?

Jürgen Heydecke: Im Hinblick auf die Automobilindustrie und ihren Bedarf an Antriebsbatterien ist der Aufbau eigener Fertigungskapazitäten in Deutschland bzw. Europa wichtig und sinnvoll. Allein über den Import aus Asien wird der Bedarf hierzulande kaum zu decken sein. Noch dazu führt die aktuelle Situation allen Beteiligten in der Industrie schmerzlich vor Augen, wie verwundbar diese Lieferketten sein können. Kürzere Lieferzeiten und geringere Transportkosten sind weitere Argumente, die man hier nennen muss.

Bei kleineren Batterien liegen die Dinge jedoch anders. Hier ist der europäische Bedarf im internationalen Vergleich bei weitem nicht so hoch wie im Automobilsektor. Deshalb sehe ich allerhöchstens für Lithium-Ionen-Rundzellen (18650, 21700, 26650) oder Spezialzellen wie etwa Lithium-Ionen-Knopfzellen die Möglichkeit einer deutschen bzw. europäischen Fertigung. Und das auch nur in deutlich kleinerem Maßstab als in Asien.

Die Bedeutung der Digitalisierung im Zusammenhang mit Batteriezellen

Benedikt Hürter: Welche Auswirkungen hat die zunehmende Digitalisierung auf die Entwicklung und Produktion von Batteriezellen?

Jürgen Heydecke: Die Digitalisierung macht sich in der Batterie-Produktion natürlich bemerkbar. Heutzutage läuft die Produktion vielerorts vollautomatisch, dazu wird jeder einzelne Produktionsschritt digital überwacht. Das sorgt dafür, dass hohe Stückzahlen produziert werden können, ohne dass die Qualität darunter leiden muss.

Auf der anderen Seite ist die Digitalisierung natürlich auch eine zentrale Triebfeder für die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien. Der Fortschritt auf diesem Gebiet ermöglicht immer neue Sensoren, Messgeräte, Steuerungen etc., die alle Batterien benötigen. Und auch im Consumer-Bereich geht der Trend seit Jahren hin zur schnurlosen Stromversorgung. Ein Beispiel hierfür sind etwa Kopfhörer. Die haben Sie früher einfach in Ihrem Smartphone eingestöpselt. Mittlerweile läuft die Verbindung über Bluetooth. Das ist für den Nutzer komfortabel, bedeutet aber auch, dass Sie sich nun Gedanken über eine eigene Stromquelle für die Kopfhörer machen müssen.

„Gerade im medizinischen Bereich kann der plötzliche Ausfall eines Geräts schlimme Folgen haben.“

Benedikt Hürter: Viele medizinische Produkte benötigen mobile Energie. Die Medizintechnik stellt einen Ihrer Geschäftsbereiche dar. Was sind die größten Herausforderungen bei der Integration von Batteriesystemen in ebensolche Produkte?

Jürgen Heydecke: Die Medizintechnik umfasst ein breites Spektrum an sehr heterogenen Applikationen. Dazu zählen etwa Fitnessarmbänder, Sensoren oder Insulinpumpen, bei denen sehr kleine Batterien zum Einsatz kommen. Darüber hinaus sind auch Prothesen, Rollstühle sowie Überwachungs- und Nothilfegeräte (z.B. Defibrillatoren) und selbst einige chirurgische Werkzeuge auf eine mobile Stromversorgung angewiesen.

Sie sehen: die Bandbreite ist groß. Für all diese unterschiedlichen Anwendungen ist Zuverlässigkeit das A und O. Gerade im medizinischen Bereich kann der plötzliche Ausfall eines Geräts schlimme Folgen haben. Deshalb ist in der Entwicklung allerhöchste Sorgfalt geboten. Das betrifft die Auswahl der geeigneten Zellen und der elektronischen Komponenten in der Schutzschaltung sowie die Programmierung des Batterie-Management-Systems.

Sicherheit als zentrales Entwicklungsthema

Eng damit verbunden ist auch das Thema Sicherheit. Ich gebe Ihnen ein Beispiel: Es gibt Operationen, bei denen Chirurgen batteriebetriebene Werkzeuge nutzen. Im Vorfeld einer jeden Operation muss jedes Werkzeug sterilisiert werden. Dazu wird es für acht Minuten in eine spezielle Sterilisationsflüssigkeit getaucht, die auf 130° C erhitzt wird. Bevor Sie das betreffende Werkzeug sterilisieren, sollten Sie die Batterie unbedingt entnehmen. Als Batterie-Entwickler müssen Sie jedoch auch einkalkulieren, dass genau das einmal vergessen wird. Fehler können schließlich überall passieren. In diesem Fall ist es Ihre Aufgabe dafür zu sorgen, dass ein solches Versehen möglichst geringe Auswirkungen auf Ihre Batterie hat.

Das Beispiel verdeutlicht, dass Medizintechnik-Anwendungen oftmals in einem besonderen Umfeld zum Einsatz kommen und ganz spezielle Anforderungen stellen. Vor kurzem haben wir eine Batterie für ein Gerät entwickelt, dass während der MRT-Untersuchung direkt neben dem Patienten in der MRT-Röhre liegt. Der Clou dabei: Damit das MRT-Ergebnis nicht verfälscht wird, muss jede einzelne Komponente dieses Geräts, und sei sie noch so klein, komplett amagnetisch sein. Das gilt natürlich auch für die Batterie und war auch für uns eine besondere Herausforderung.

Planung des Batteriesystems

Benedikt Hürter: Wann sollte bei der medizinischen Produktentwicklung vorzugsweise die Planung des Batteriesystems beginnen?

Jürgen Heydecke: Nicht nur bei Medizintechnik-Produkten, sondern bei allen Anwendungen sollte man sich möglichst frühzeitig über die Batterie und deren wichtigste Parameter Gedanken machen. Dazu zählen etwa die Kapazität, die Belastbarkeit sowie die Umgebungsbedingungen, um nur einige wenige zu nennen. Da inzwischen viele Batterien „smart“ sind, sollte auch die Kommunikation mit dem Host frühzeitig geklärt sein.

Auch die spezifischen Eigenheiten der einzelnen Zellchemien müssen in der Entwicklung berücksichtigt werden. Lithium-Polymerzellen beispielsweise dehnen sich beim Aufladen aus. Über mehrere Ladezyklen hinweg kann sich diese Dehnung auf bis zu 10% der Zelldicke ausweiten. Dieses „Swelling“ muss bei der Planung des Batteriefachs unbedingt berücksichtigt werden.

Und dann ist da natürlich noch das Thema Zertifizierung. In der Medizintechnik sind die Regularien (IEC, UL, KC etc.) für die Zulassung eines Geräts verständlicherweise besonders streng und müssen auch beim Batterie-Design berücksichtigt werden.

Die Rolle der Lithium-Ionen-Batterien in der Medizintechnik

Benedikt Hürter: Welche Rolle spielt die Lithium-Ionen-Technologie für die Medizintechnik?

Jürgen Heydecke: Lithium-Ionen-Batterien haben zahlreiche Vorteile, von denen Medizintechnik-Applikationen profitieren. Sie sind leicht, verfügen über eine hohe Einzelzellenspannung und eine hohe Leistungsfähigkeit bei gleichzeitig geringem Volumen. Damit sind sie den meisten anderen Batterietechnologien überlegen und dementsprechend essentiell für die Medizintechnik.

Ich habe am Anfang unseres Gesprächs schon einmal betont, wie sehr mich die Bandbreite an Lösungen fasziniert, die die Lithium-Ionen-Technologie bietet. Und genau das ist es, was die Technologie für die Medizintechnik mit ihren vielen unterschiedlichen Applikationen so wichtig macht. Tatsächlich können Sie mit der Vielfalt an Lithium-Ionen, Lithium-Polymer und Lithium-Eisenphosphat-Batterien die meisten Anforderungen sehr gut abdecken.

Für die Vereinheitlichung der Technologien sind die „Anforderungen der einzelnen Applikationen einfach zu verschieden“

Benedikt Hürter: Wird es zu einer Vereinheitlichung der verwendeten Batterietechnologien kommen oder werden viele Ansätze zukünftig nebeneinander existieren?

Jürgen Heydecke: Ich glaube nicht, dass es zu einer Vereinheitlichung kommen wird. Dafür sind die Anforderungen der einzelnen Applikationen einfach zu verschieden. Denken Sie beispielswiese an Insulinpumpen, die so klein sein müssen, dass sie unauffällig unter der Kleidung getragen werden können. Hier brauchen Sie eine Batterie, die entsprechend klein und flach ist. Andere Anwendungen wie Rollstühle oder Prothesen stellen hingegen ganz andere Anforderungen, an die sich die Batterie anpassen muss.

„Diese breite Ausdifferenzierung ist die große Stärke der Lithium-Ionen-Technologie.“

Benedikt Hürter: Viele Systeme werden zunehmend miniaturisiert. Wie kann das Batteriesystem hierbei Schritt halten?

Jürgen Heydecke: Insbesondere Lithium-Polymer-Batterien und Lithium-Knopfzellen sind heute bereits extrem kompakt und können mit der Geräteminiaturisierung absolut mithalten. Die kleinste Lithium-Polymer-Zelle, die wir bislang eindesignt haben, war mit gerade einmal 3,4mm x 8mm x 19mm in etwa so „groß“ wie eine Büroklammer – und hatte trotzdem noch eine Kapazität von 38 mAh. Die Zellen können mit dem Miniaturisierungs-Trend also sehr gut mithalten.

Tatsächlich hat sich die Lithium-Ionen-Technologie seit ihrer Markteinführung kontinuierlich weiterentwickelt. Nehmen Sie die klassische 18650-Zelle als Beispiel: Als diese Zelle auf den Markt kam, hatte Sie eine Kapazität von 1200mAh. Heute verkaufen wir Zellen mit 3500mAh. Als nächstes Ziel wird die 4Ah-Zelle angepeilt.  Ganz ähnlich verläuft die Entwicklung auch bei den Lithium-Polymer Zellen, deren Kapazität in der Vergangenheit ebenfalls kontinuierlich gesteigert werden konnte.

Benedikt Hürter: Was möchten Sie unseren Lesern noch als Denkanstoß mitgeben?

Jürgen Heydecke: Wenn Sie an Lithium-Batterien denken, dann denken Sie nicht nur an jene, die im Rahmen der E-Mobilität oder in unseren Smartphones und Laptops zum Einsatz kommen. Das sind ohne Frage zentrale Applikationen, die aber tatsächlich nur einen Bruchteil aller Anwendungsfälle ausmachen. Mittlerweile gibt es selbst für die kompliziertesten Spezialfälle die passenden Lösungen – egal ob in der Medizintechnik oder anderswo. Diese breite Ausdifferenzierung ist die große Stärke der Lithium-Ionen-Technologie.

Benedikt Hürter: Vielen Dank für das spannende Interview.

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