Pouch­zelle mit Koh­len­stoff-Nanoröhrchen

Effiziente Lithium-Ionen-Pouchzelle und ihre Ausgangsmaterialien. (Bild: K. Selsam-Geißler, Fh.-ISC)

Für die schnelle Umsetzung der Elektro­mobilität in Europa ist die Reich­weite eine der größten Heraus­forde­rungen. Im europä­ischen Projekt ECO COM’BAT entwickeln deshalb unter der Koordi­nation der Fraunhofer-Projekt­gruppe für Wert­stoff­kreis­läufe und Ressourcen­strategie des Fraunhofer-Instituts für Silicat­forschung ISC zehn Partner aus Industrie und Forschung die nächste Gene­ration der Lithium-Ionen-Batterien – die Hoch­volt­batterie. Sie soll nicht nur leistungs­fähiger, sondern auch in Bezug auf die verwen­deten Materi­alien nach­haltiger als herkömm­liche Batterien des gleichen Typs sein. Zentrale Aufgabe ist dabei die Substi­tution von bisher üblichen oftmals teuren, seltenen oder gar kriti­schen Mate­rialien.

Wegen ihrer hohen Energiedichte und Zuverlässigkeit sind Lithium-Ionen-Batterien aktuell die bevorzugte Energie­quelle für elektro­mobile Fahrzeuge und Konsumer­geräte. Doch mit der wachsenden Anzahl an Elektro­fahrzeugen und den techno­logisch immer komplexeren mobilen Endgeräten sind auch die Ansprüche gestiegen. Größere Sicher­heit, längere Lebens­dauer, höhere Energie­dichte und Leistung sowie größere Reich­weite sind gefordert.

Ziel des Projekts Ecological Composites for High-Efficient Li-Ion Batteries ECO COM’BAT ist die Herstellung einer innovativen Hochvoltbatterie, die unter anderem die Reichweite von Elektro­fahrzeugen erhöht, ein schnelles Laden von Geräten erlaubt und dabei stabiler, leichter und lang­lebiger sein soll. Darüber hinaus sollen kritische oder wert­volle Rohstoffe, die üblicher­weise in herkömm­lichen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, ersetzt werden.

Um all dies zu erreichen, verwenden die Projektpartner innovative Materialien: kobaltarmes Lithium-Nickel- Mangan-Kobalt-Oxid – NMC – dient als aktives Material der Elektrode und liefert die erforder­liche hohe Energiedichte bei rund zwanzig Prozent weniger Kobalt als üblich. Als Leit­additiv dient eine Kombination aus Carbon-Nanotubes und porösem Kohlen­stoff. Sie verbessert die elek­trische Leitfä­higkeit der Elektroden und ermöglicht hohe Energie­dichten. Als Elektrolyt wird ein spezieller Hochvolt­elektrolyt basierend auf dem Leitsalz Lithium-Bis(fluorosulfonyl)imide LiFSI eingesetzt, der auch bei hohen Spannungen stabil betrieben werden kann. Eine ionenleit­fähige Beschichtung aus besonderen Hybrid­polymeren schützt die Elektrolyt­materialien und sorgt für hohe Sicherheit, Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer der Batterie.

Eine erste Aufgabe des Projekts ist die Hochskalierung der Produktions­prozesse, um die innovativen Batterie­materialien im großen Maßstab herstellen zu können. Im nächsten Schritt wird dann die eigent­liche Zell­produktion für den industrie­nahen Pilotmaßstab bis hin zum Produktions­maßstab hochskaliert. Dabei werden automobile Standard­anforderungen ebenso wie energie- und kostengünstige Produktions­methoden berücksichtigt.

Mit der weiteren Verbreitung von Elektrofahrzeugen werden zukünftig auch sehr viel mehr Altbatterien anfallen. Um problema­tischen Müll zu vermeiden und vor allem die wertvollen Batterie­materialien wie Graphit, Kobalt und Lithium zurückzu­gewinnen, müssen neue Wege für ein effizientes Recycling gefunden werden. Um eine bestmögliche Wieder­verwertung von Rohstoffen und Batterie­materialien zu erreichen, wird bereits bei der Herstellung der Prototypen auf ein recycling­gerechtes Design geachtet. Außerdem sollen innovative Recycling­verfahren erprobt werden.

Das Projekt wird vom Konsortium EIT RawMaterials des Europäischen Instituts for Innovation und Technologie EIT finanziert. EIT RawMaterials, gefördert von der Europä­ischen Kommission, ist das weltweit größte und stärkste Konsortium im Rohstoff­sektor. Seine Vision ist eine Europäische Union, in der Rohstoffe eine große Stärke sind. Aufgabe des Konsortiums ist es, die Wettbewerbs­fähigkeit, das Wachstum und die Attraktivität des europäischen Rohstoff­sektors durch radikale Innovation und unterneh­merische Initiative zu stärken.

Die innovativen Materialien der Hochvoltbatterie liefern insbesondere die Industriepartner Arkema aus Frankreich sowie Umicore aus Belgien und im Fall der Schutz­beschichtung das Fraunhofer ISC. Arkema und das Fraunhofer ISC skalieren die Materialien für den Pilot­maßstab auf, die Elektroden und Zellen fertigen das französische Energie­forschungs­institut CEA, der deutsche Hersteller Custom Cells Itzehoe und das Fraunhofer F&E-Zentrum Elektro­mobilität Bayern, Teil des ISC, nach Vorgaben des franzö­sischen Batterie­herstellers Saft. Die Analyse und Charakte­risierung der Materialien, Komponenten und Zellen übernehmen die TU Darmstadt, das spanische Forschungs­insitut CSIC, das italienische Forschungs­institut ENEA, das Fraunhofer ISC und dessen Projektgruppe IWKS. Die Betriebs­simulation führt das flämische Forschungs­institut VITO durch. Tests zu neuen Recycling­verfahren werden von der Fraunhofer-Projekt­gruppe IWKS geleitet. (Quelle: Fh.-ISC)

Links: Energiematerialien, Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie (IWKS) des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC, Alzenau / HanauKonsortium EIT RawMaterials des Europäischen Instituts for Innovation und Technologie EIT, Berlin

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