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Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation

Startschuss für europäisches Batterieforschungsprojekt SeNSE

Am Montag 10. Februar 2020 fiel offiziell der Startschuss für das europäische Batterieforschungsprojekt SeNSE. Fünf Forschungsinstitute und sechs Industrieunternehmen aus sieben europäischen Ländern suchen in den kommenden vier Jahren gemeinsam nach Lösungen für die Lithium-Ionen-Batterie der nächsten Generation. Als Partner an Bord ist auch die schwedische Firma Northvolt, die in den nächsten Jahren zwei Grossproduktionsanlagen (Gigafactories) für Fahrzeugbatterien in Europa errichten will. Das Forschungsprojekt wird von Empa-Forscher Corsin Battaglia und seinem Team koordiniert. Die EU fördert SeNSE mit 10 Millionen Euro.

Der Bedarf an Antriebsbatterien für Elektroautos wird in den nächsten Jahren dramatisch steigen. Gegenwärtig kommen mehr als 90 Prozent dieser Akkus aus Asien. Die EU-Kommission hat daher 2017 die "European Battery Alliance" ins Leben gerufen, um Kompetenz und Fertigungskapazitäten dieser Schlüsseltechnologie in Europa aufzubauen. Alleine die europäische Nachfrage nach Lithium-Ionen Batterien wird 10 bis 20 sogenannte "Gigafactories" - Grossproduktionsanlagen für Batterien - notwendig machen, so schätzen Experten.

Lithium-Ionen-Batterien der Generation 3b

Die Forschung im Rahmen des Projekts SeNSE ist Teil dieser Initiative "European Battery Alliance" und wird vom EU-Forschungsförderprogramm Horizon 2020 getragen. Die elf Forschungspartner von SeNSE - fünf Forschungsinstitute und sechs Industrieunternehmen - forschen in ihren Arbeiten an Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation - der sogenannten "Generation 3b".

Im Unterschied zu aktuellen Antriebsbatterien wird diese nächste Generation eine höhere Energiedichte, sowie eine verbesserte Zellchemie und ein verbessertes Batteriemanagement besitzen: Statt Anoden aus reinem Graphit werden solche aus Silicium-Graphit-Composites angestrebt. In der Kathode wird der Anteil an kritischem Kobalt weiter gesenkt. Neue Additive in der Elektrolytflüssigkeit sowie Schutzschichten sollen die Batterie langsamer altern lassen und mehr Ladezyklen möglich machen. Zu einer längeren Lebensdauer und besseren Schnelladefähigkeit werden auch neue Sensoren beitragen, die vom Inneren der Batteriezellen her Daten ans Batteriemanagement liefern. Diese Daten sollen ein deutlich verfeinertes Temperaturmanagement im Vergleich zu heutigen Lithium-Ionen-Zellen erlauben.

Serienproduktion und Recycling

Die Nachhaltigkeit der Generation 3b-Zellen soll die heutige Generation ebenfalls übertreffen: Die Kathode soll ohne den Einsatz von brennbaren und toxischen Lösungsmitteln hergestellt werden, was die Serienproduktion der Zellen stark vereinfacht und verbilligt. Alle Aspekte der SeNSE-Forschung sind darauf ausgerichtet, die Zellen der nächsten Generation in europäischen Gigafactories herzustellen. Um im Wettbewerb der Zukunft zu bestehen, sind deshalb besonders kostengünstige und Rohstoff sparende Produktionsmethoden entscheidend. Auch die Weiterverwendung gealterter Fahrzeugbatterien als stationäre Speicher und schliesslich das Recycling der Batterien wird im Projekt SeNSE berücksichtigt. Forschungspartner der Empa (CH), die das Projekt leitet, sind die Westfälische Wilhelms-Universität Münster (D), das Forschungszentrum Jülich (D), die Coventry University (UK), das Austrian Institute of Technology (A) sowie die Firmen Solvionic (F), FPT Motorenforschung (CH), Lithops (I), Northvolt (S), Enwires (F) und Huntsman Advanced Materials (CH).

Auf dem Weg zur Gigafactory

Eine entscheidende Rolle in dem Forschungsprojekt spielt die schwedische Firma Northvolt. Das Unternehmen wurde 2016 von zwei ehemaligen Tesla-Mitarbeitern mitgegründet, die am Bau der Tesla Gigafactory in Nevada (USA) beteiligt waren. Northvolt plant derzeit die erste europäische Gigafactory mit einer Fertigungskapazität von 32 GWh pro Jahr, die in Schweden errichtet werden soll. Eine weitere Gigafactory mit 16 GWh Jahresproduktion soll als Joint-Venture mit Volkswagen in Salzgitter (D) entstehen. Zum Vergleich: die Tesla Gigafactory in Nevada produziert nach Angaben des Managements derzeit rund 30 GWh Batterien pro Jahr.

Experten von Northvolt werden die SeNSE-Forschenden mit regelmässigen Briefings begleiten. Am Ende des Projekts soll eine Reihe von Batteriezell-Prototypen entstanden sein. Die Fähigkeiten der Batteriezellen-Generation 3b wird ein Demonstrator mit 1 kWh Speicherkapazität beweisen. Am Schluss soll die entwickelte Fertigungstechnologie in Form von Patenten den Weg in die Industrie finden. Das Forschungsprojekt SeNSE endet nach 48 Monaten im Frühjahr 2024. Gefördert von der EU im Rahmen der Finanzierungsvereinbarung Nr. 875548.

Ausblick: Festkörperbatterien - Generation 4b

Das Team von Corsin Battaglia an der Empa ist an einem weiteren europäischen Forschungsprojekt beteiligt: Das Projekt namens SOLiDIFY blickt noch weiter in die Zukunft und entwickelt Batterien der übernächsten Generation - sogenannte Festkörper-Lithium-Metall-Batterien. Im Unterschied zu heutigen Lithium-Ionen Batterien und denen der Generation 3b werden diese Festkörperbatterien keine flüssigen, feuergefährlichen Bestandteile mehr enthalten. Daher sind sie sicherer und resistenter gegen Hitze. Sie können also höhere Leistung abgeben, schneller geladen und entladen werden.

Diese Batterien - genannt Generation 4b - könnte nach Meinung der Experten in etwa zehn Jahren marktreif sein. Sie sollen bei halbem Gewicht und der Hälfte der Baugrösse die gleiche Speicherkapazität liefern wie heutige Lithium-Ionen-Batterien. Auch die Produktionskosten sollen auf die Hälfte sinken.

Neue Elektrodenarchitekturen sind notwendig, ebenso wie kostengünstige innovative Flüssig-Produktionsmethoden für die Kathode dieser Batterien. Die Anode wird aus metallischem Lithium bestehen. Das Forschungsprojekt SOLiDIFY begann am 1. Januar 2020 und läuft ebenfalls 48 Monate lang. Gefördert von der EU im Rahmen der Finanzierungsvereinbarung Nr. 875557.

Quelle: Text Rainer Klose, Empa -Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, 10. Januar 2020

Batterien von Elektroautos Festkörperbatterien für die Elektroautos von morgen 2019

Lithium-Ionen-Batterien Eine heutige Lithium-Ionen-Batterie besteht aus zwei Elektroden - einer Kathode und einer Anode. Die Anode besteht oft aus Graphit, die Kathode aus Metalloxiden wie Kobaltoxid. In diese Materialien nisten sich die Lithium-Ionen beim Laden oder Entladen ein. Die beiden Elektroden sind durch eine Trennwand getrennt, die nur Lithium-Ionen durchlässt. Beim Entladen bewegen sich die Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode. Die dabei frei werdenden Elektronen fliessen über den externen Stromkreis ebenfalls zur Kathode und treiben dadurch ein elektrisches Gerät an. Elektronen und Ionen treffen sich in der Kathode wieder. Beim Laden fliessen Ionen und Elektronen in die umgekehrte Richtung. Damit eine Batterie gut und lange funktioniert, müssen sich die Ionen gut in die Elektrodenmaterialien hinein und aus diesen heraus bewegen können. Auch sollten sich Form und Grösse des Elektrodenmaterials durch die wiederkehrende Aufnahme und Abgabe der Ionen nicht wesentlich verändern. Quelle: Text Empa - Materials Science & Technology - Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, Mai 2014

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