Gefordert sind ökologisch und ökonomisch unkritische Materialien

Forscher tüfteln an Konzept für nachhaltige Batterien

Forscherinnen und Forscher prüfen die Zyklenstabilität der verbesserten Lithium-Ionen-Zelle. © KIT / Amadeus Bramsiepe

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) und ihre europäischen Kooperationspartner entwickeln ein Konzept für Batteriezellen, das auf ökologisch und ökonomisch unkritischen Materialien basiert. In dem Projekt Si-Drive bildet das Konsortium die gesamte Batterie-Wertschöpfungskette ab und strebt bis 2030 einen Plan für eine europäische Produktion an. Die Europäische Union finanziert das Projekt mit acht Millionen Euro.

Derzeit werden rund 90 Prozent der Lithium-Ionen-Zellen in Asien produziert. In Europa gibt es verschiedene Bestrebungen, eine eigene Batterieproduktion aufzubauen. Ziel von Si-Drive ist es, eine Zelle zu entwickeln, die aus einer nanostrukturierten Silizium-Anode, einem neuartigen auf ionischen Flüssigkeiten basierenden Festelektrolyten und einer vollständig kobaltfreien, aber lithiumreichen Kathode besteht. Eine Zelle mit diesem Aufbau sowie ein umfassendes Recyclingprogramm könnten eine nachhaltige Batterieproduktion ermöglichen.

„Das Besondere an dem Projekt ist, dass wir im Verbund von der Materialentwicklung über Prototypzellenfabrikation bis hin zum Recycling alle Schritte der Wertschöpfungskette einer Batterie abdecken“, erklärt Professor Stefano Passerini, Direktor des HIU. Seine Forschungsgruppe entwickelt dabei das neuartige, kobaltfreie Kathodenmaterial mit unkritischen Elementen wie Eisen oder Aluminium. Kobalt wird von der Europäischen Kommission als kritischer Rohstoff aufgelistet, da es eine knappe Ressource und geopolitisch schwer zugänglich ist, was zu Versorgungsengpässen führen kann. Darüber hinaus wird das Element in der Demokratischen Republik Kongo, wo der Abbau hauptsächlich erfolgt, bisweilen mit Kinderarbeit und unter menschenunwürdigen Bedingungen gewonnen. „Gleichzeitig wollen wir den Lithiumgehalt in der Schichtoxid-Kathode gegenüber den herkömmlichen Materialien signifikant erhöhen, um eine deutliche Steigerung der Energiedichte zu erzielen“, so Passerini.

Fünf Projektpartner werden sich zudem mit dem Konzept einer Kreislaufwirtschaft beschäftigen, um weitere Anwendungen zu identifizieren. Denkbar sind Szenarien, in denen „altersschwache“ Batterien von Elektroautos zusammengelegt werden und als stationäre Speicher weiterverwendet werden. Auch die Anoden- und Elektrolytkonzepte folgen diesem Nachhaltigkeitsgedanken, sodass am Ende eine Recyclingrate von über 50 Prozent erzielt werden soll.

Die Nanostrukturen der Anode werden so designt, dass eine lange Zyklenstabilität durch eine ideale Geometrie mit hohen Massenbeladungen ermöglicht werden kann. Die Struktur der Anode wird durch Modellierung dahingehend optimiert, dass Volumenausdehnung und mechanische Deformation bestmöglich abgepuffert werden und gleichzeitig eine maximale Energiedichte aufrechterhalten werden kann. Der neuentwickelte Festelektrolyt basiert auf ionischen Flüssigkeiten, die für mehr Stabilität bei hohen Spannungen, höchste Sicherheit und niedrige Entflammbarkeit sorgen.

Das vom europäischen Rahmenprogramm für Forschung und Innovation Horizon 2020 geförderte Projekt bündelt die Aktivitäten von insgesamt 17 Einrichtungen aus Wissenschaft und Industrie aus acht Ländern. Mit den Forschungsgruppen von Professor Arnulf Latz vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie von Margret Wohlfahrt-Mehrens vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) sind zwei weitere Partner des HIU involviert. Quelle: KIT / pgl

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