TPPL-Batterien in Materialhandhabungsanwendungen: heute und morgen

Denkt man an die Antriebskraft eines Elektrofahrzeugs, denkt man sofort an Lithiumbatterien. Eine Herausforderung für OEMs bei deren Einsatz ist jedoch der höhere Preis. Im Materialtransport – insbesondere bei Gabelstaplern – ist dies jedoch ein Nachteil, insbesondere bei kleineren Flotten.

Eine Alternative, die weiterhin für Elektro-Gabelstaplerflotten verwendet wird, ist die Dünnplatten-Reinbleibatterie (TPPL) – sie gehört noch immer zu den fortschrittlichsten Batterietechnologien für den Einsatz in derartigen Geräten.

TPPL 101

Wie alle Blei-Säure-Batterien besteht die TPPL-Technologie aus Bleiplatten, die in einer Elektrolytlösung aus Wasser und Schwefelsäure in einem Gehäuse schweben. TPPL-Platten sind jedoch besonders dünn, wodurch mehr Platten in der Batterie und eine größere reaktive Oberfläche möglich sind. Das Ergebnis sind ein geringerer Innenwiderstand, geringere Energieverluste, schnelleres Aufladen und eine höhere Stromabgabe bei geringerem Spannungsabfall als bei einer herkömmlichen Blei-Säure-Nassbatterie (FLA).

Ein Elektro-Gabelstapler ist in einem Lagerhaus im Einsatz. (Foto: alamy)

Im Vergleich zur FLA-Technologie bieten TPPL-Batterien – verbesserte Versionen von AGM-Batterien (Absorbent Glass Mat) – zusätzliche Vorteile. Sie sind beispielsweise versiegelt und benötigen daher keine regelmäßige Wartung. Auch die Gasemissionen sind geringer. Schließlich ist die Lebensdauer länger, insbesondere wenn die Batterien wiederholten Mikroentladungen und anschließendem teilweisen Laden unterzogen werden.

Nachteile gegenüber Lithium

Trotz der neuesten Verbesserungen weisen TPPL-Batterien im Vergleich zu Lithiumbatterien jedoch Nachteile auf. Erstens weisen TPPL-Batterien eine geringere Energiedichte auf. Die Bleiplatten machen schätzungsweise 40 bis 60 Prozent des Batteriegewichts aus, was zu einer geringeren Energiedichte führt. Daher können TPPL-Batterien bei anspruchsvollen Anwendungen, bei denen mehr Energie benötigt wird, um den reibungslosen Betrieb im Mehrschichtbetrieb mit einem einzigen Batteriepaket aufrechtzuerhalten, nicht mit ihren Lithium-Pendants mithalten.

Auch bei TPPL-Batterien nimmt die elektrische Leitfähigkeit bei extremen Temperaturen stark ab. Die elektrische Leitfähigkeit der Schwefelsäurelösung sinkt bei Temperaturen über 32 °C und unter 15 °C drastisch. Die maximale Leitfähigkeit einer TPPL-Batterie bei -21 °C ist nur halb so hoch wie bei einer Elektrolyttemperatur von 15 °C.

Schließlich beträgt die empfohlene Entladetiefe (DOD) für eine TPPL-Batterie nur 50 Prozent, die maximale sichere Entladung beträgt 80 Prozent. Dies ist auf die Bildung von Blei(II)-sulfat an den Elektroden während der Entladung zurückzuführen. Anstelle loser, feiner Kristalle bildet das Blei(II)-sulfat eine durchgehende, dichte Schicht großer Kristalle auf der Elektrodenoberfläche. Dies kann das Plattenvolumen bei Tiefentladung deutlich vergrößern, was zu Verformungen und Zerstörung der Platten führen kann.

Verbesserung der TPPL-Leistung

Es gibt jedoch verschiedene Möglichkeiten, das Design von TPPL-Batterien in Zukunft zu verbessern, um ihre Leistung zu steigern. Beispielsweise könnte die elektrische Kapazität der Batterie durch Änderungen am Elektrodenplattendesign und den Einsatz von Pulvern zur Vergrößerung der Elektrolyt-Elektroden-Kontaktfläche erhöht werden.

Darüber hinaus kann die Verwendung leichterer Materialien das Plattengewicht deutlich verringern und somit die spezifische Energie erhöhen. Titan beispielsweise ist 2,5-mal leichter als Blei und zudem korrosionsbeständig. Sein Einsatz in der positiven Elektrode von Blei-Säure-Batterien wird derzeit erforscht.

Kohlenstoff kann auch als Zusatzstoff für Plattenbeschichtungen in positiven und negativen Elektroden verwendet werden, um die Bildung von Blei(II)-sulfat zu verhindern und gleichzeitig den Anteil der an Reaktionen beteiligten Elektrodenmasse zu erhöhen.

Die größte Einschränkung für alle drei Möglichkeiten sind die Produktionskosten. Der Einsatz komplexer und teurer Komponenten könnte TPPL-Produkte unverhältnismäßig teuer machen. Dies ist besorgniserregend, da die Preise für Lithiumbatterien voraussichtlich mit zunehmender Größe sinken werden.

Ausblick vs. Lithium

Die Zukunft von Bleibatterien im Materialtransport bleibt daher ungewiss. Einige Prognosen gehen davon aus, dass sie gegenüber Lithiumbatterien Marktanteile verlieren werden. Im Juni 2022 veröffentlichte EUROBAT, der Verband europäischer Automobil- und Industriebatteriehersteller, die Version 2.0 seiner Battery Innovation Roadmap 2030. Damals hieß es, Bleibatterien für Antriebsenergie im Materialtransport, beispielsweise in Gabelstaplern, hätten einen Marktanteil von etwa 90 Prozent, während Lithium erst am Anfang stehe. Bis 2030 erwartet die Organisation, dass der Marktanteil von Lithium-Ionen-Batterien im Antriebsenergiemarkt auf fast 50 Prozent wachsen wird.

Hyster-Option ermöglicht Endbenutzern die Auswahl des Batterietyps. Power Cellect ermöglicht Benutzern den Wechsel zwischen gängigen Batteriequellen ohne externes Zubehör oder Software-Downloads.