Leitspalt: Deep-Tech-Unternehmen entwickelt innovativen Ansatz für Batteriesysteme

Verbraucher kritisieren lange Ladezeiten, hohe Preise und geringe Reichweiten. Produzenten kämpfen mit steigenden Rohstoffkosten, energieintensiven Produktionsprozessen und teuren Batteriesystemen. Und nicht zuletzt stellen sich Fragen zur Reparierbarkeit, Wiederverwendung und Recyclingfähigkeit von Batteriepacks.

Herzstück des Elektroautos: das Batteriesystem

Das Batteriepack ist das mit Abstand teuerste Einzelbauteil eines Elek­troautos. Es macht in vielen Fällen 30 – 40 % der Fahrzeugkosten aus, wiegt mehrere 100 kg und bestimmt maßgeblich Reichweite, Ladeleistung, Kosten und Sicherheit. Und doch sind heutige Batteriesysteme in vielerlei Hinsicht ineffizient konstruiert bzw. limitieren die Batteriezellen am Entfalten ihres vollen Potenzials.

Dabei werden Zellen oft zu Modulen zusammengeschaltet. Die Modulbauweise bietet zwar Vorteile, wie z. B. eine flexible Skalierung von Batteriesystemen für unterschiedliche Fahrzeugtypen und Anwendungen, oder einer vereinfachten Wartung, Austauschbarkeit und bedingt auch Recyclingfähigkeit einzelner Komponenten, allerdings entstehen auch zahlreiche Nachteile, wie zusätzliches Gewicht durch redundante Komponenten, Gehäuseteile, Verbindungen und mechanischen Schnittstellen.
Auf Gesamtsystemebene führt dies dann zu höheren Kosten, zusätzlichem Gewicht und vor allem einem größerem Bauraumbedarf, was insbesondere zu Lasten der gravimetrischen und der volumetrischen Energiedichte geht. Außerdem erschwert die komplexe Modulverschaltung die thermische und elektrische Integration. Aktuelle Batteriepackdesigns stoßen folglich zunehmend an ihre Grenzen, was insbesondere auch an der Batteriekühlung liegt. Konven­tionelle Kühlsysteme wie Kühlplatten oder -rohre können die entstehende Wärme nur punktuell abführen, was die Ladegeschwindigkeit limitiert, und die Lebensdauer der Zellen beeinträchtigt. Zudem sind die meisten Batteriepacks strukturell rein passive Bauteile ohne tragende Funktion, was zu doppelten Strukturen im Fahrzeug führt, mit entsprechendem Mehraufwand bei Gewicht, Material und Kosten. Ein weiteres Problem stellt die fehlende Reparatur- und Recycelbarkeit dar, da Zellen häufig verklebt oder vergossen werden. In einem Markt, der immer stärker durch Energieeffizienz, Systeminte­gration und Nachhaltigkeit geprägt ist, werden solche Konstruktionsprinzipien zum Wettbewerbsnachteil.
In Cell2 Pack oder Cell-2 Chassis/Pack2 Chassis-Ansätzen wird daher zunehmend auf die Modulbauweise verzichtet, um Effizienz, Reichweite und Kostenstruktur zu optimieren. Die Industrie strebt klar nach diesen Lösungen, die allerdings neue Herausforderungen mit sich bringen, die noch nicht vollends gelöst sind.

Neuer Ansatz für den Bau von Batteriesystemen

Hier setzt Leitspalt an, ein Start-up, das aus der RWTH Aachen heraus gegründet wurde, um den Aufbau von Batteriesystemen von Grund auf neu zu denken. Statt isolierte Einzelpro­bleme zu lösen, verfolgt das Team einen multifunktionalen Systemansatz, der die mechanische Struktur, die Kühlung und das Packaging der Batterie in einem Bauteil fusioniert. Kern der Innovation ist ein neuartiges, multifunktionales Bauteil, das als Zellhalter, Kühlsystem und tragendes Element zugleich dient. Das Bauteil lässt sich mittels kosteneffizienter Extrusion aus Metall oder Kunststoff fertigen und besteht aus zwei Halbzeugen, die durch einfaches Ineinander­stecken einen Spalt zwischen diesen beiden Halbzeugen bilden. Dieser dient als Durchflusskanal für das Kühlmedium und umschließt bis zu 80 % der Zell­oberfläche, was eine Vervierfachung der Kühlleistung im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ermöglicht.
Im Vergleich zu aktuellen Standardlösungen im Bereich Batteriekühlung, wie Kühlplatten oder Schlangenrohren, die meist nur eine Seite der Zelle bzw. einen geringen Anteil der Zelloberfläche kühlen, erreicht Leitspalt eine fast vollständige Kühlung der Zellmantelfläche, ohne dabei die Kosten zu erhöhen. Die Technologie lässt sich auf alle Zellformate und Zellchemien adaptieren. Die Lösung schafft eine Kühlleistung auf dem Niveau einer Immersionskühlung, oder übertrifft sie sogar, ohne deren Nachteile, z. B. ein hohes Systemgewicht, Notwendigkeit für teure dielektrische Kühlfluide, hohe Kosten und Systemkomplexität, mitzubringen. Damit schließt das Unternehmen eine Marktlücke für hocheffiziente Kühlsysteme mit geringen Kosten. Vorteile des Systems sind:

• ein höheres Schnellladepotenzial durch optimierte Wärmeabfuhr (5 – 10 min von 10 % auf 80 % SOC),
• eine längere Lebensdauer der Zellen durch gleichmäßige Temperaturverteilung auf Zellebene und niedrigen thermischen Gradienten zwischen den Zellen,
• eine verbesserte Sicherheit durch optimale Temperaturbedingungen und intrinsischer thermischer Barrieren durch die Struktur,
• Kostenersparnis auf Systemebene durch vereinfachte Fertigung, weniger Teile und geringeren Material­einsatz,
• Recyclingfähigkeit durch einen Cell2 Pack-Ansatz ohne Einschäumen, was zu einer einfachen Entnahme der Zellen am EOL führt,
• Gewichtseinsparung durch Strukturintegration (bis zu 20 % der Fahrzeugstrukturmasse) bei vollständiger struktureller Integration (Pack2 Chassis).

Die multifunktionale Kühlstruktur bildet gemeinsam mit einfachen Deckplatten aus (tiefgezogenen) Blechen eine Sandwichstruktur, die hohe Steifigkeiten aufweist und in die Fahrzeugstruktur bzw. das Chassis eingebunden werden kann. Damit realisiert Leitspalt einen Pack-to-Chassis-Ansatz, wie ihn bislang nur wenige Pioniere, wie BMW, Tesla, BYD oder CATL umgesetzt haben, jedoch mit deutlich höherer Modularität, verbesserter Nachhaltigkeit und einer konsequent auf maximale Kühlleistung ausgerichteten Entwicklung.

Ökonomische Vorteile – nicht nur für OEMs

Die Technologie von Leitspalt ermöglicht eine Kostenreduktion auf Batteriepackebene von bis zu 20 %.

© Leitspalt

Das wirtschaftliche Potenzial der Technologie ist erheblich: Die Lösung ermöglicht eine Kostenreduktion auf Batteriepackebene von bis zu 20 % (exkl. Zellen), was etwa 7 EUR/kWh bzw. 500 EUR pro Fahrzeug entspricht. Hinzuzurechnen sind Kosteneinsparungen durch effizientere Gestaltung der Gesamtfahrzeugarchitektur. Gleichzeitig erhöht sich die Energie- und Materialeffizienz, was ein immer relevanterer Faktor in Zeiten steigender Rohstoffpreise und wachsender ESG-Anforderungen ist. Darüber hinaus bietet die Technologie Anknüpfungspunkte für Unternehmen aus der chemischen und materialwissenschaftlichen Industrie, etwa im Bereich von

• wärmeleitfähigen Kunststoffen,
• Additiven für Struktur- und Dichtungskomponenten,
• Kühlmedien und Additiven für Fluide,
• Pottingmaterialien und Klebstoffe (insbesondere Einsatz von Debond-on-Demand-Lösungen),
• Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen.

Es ergeben sich interdisziplinäre Kooperationsmöglichkeiten, die sowohl für Start-ups als auch eta­blierte Industrieunternehmen und den Wirtschaftsstandort Deutschland von hoher strategischer Relevanz sind.

Beispiel für technologiegetriebene Gründungskultur

Leitspalt wurde von einem Team aus Ingenieuren und Wissenschaftlern gegründet, die gemeinsam an der RWTH Aachen geforscht haben. Die Idee entstand aus praktischen Herausforderungen in der Batterieentwicklung und wurde im Rahmen der Forschungsaktivitäten zu multifunktionalen Raumfahrtstrukturen von Maximilian Schirp-Schoenen und Jannik Bühring entwickelt und patentiert. Zusammen mit Jana Weinand und den Branchenexperten Andreas Kupke und Daniel Schellong wurde Leitspalt im März 2024 gegründet. Das Unternehmen befindet sich derzeit in der Prototypen- und Indus­trialisierungsphase und ist in ersten Industrieprojekten eingebunden. Das Unternehmen steht exemplarisch für eine neue Generation von technologiegetriebenen Gründungen, die nicht allein auf digitale Geschäftsmodelle setzen, sondern auf tiefes technisches Verständnis, indus­trielle Umsetzbarkeit und gesellschaftlichen Nutzen. Das Start-up will zeigen, dass exzellente Forschung, strategische Förderung und unternehmerischer Mut in Deutschland erfolgreich zusammenfinden können, wenn die richtigen Strukturen vorhanden sind und gemeinschaftlich an großen Zielen gearbeitet wird, wie der nachhaltigen Transformation des Mobilitäts- und Energiesektors.