Mit sicheren und leichten Lithium-Ionenbatterien wollen drei Industrieunternehmen und das ZSW elektrisches Fliegen möglich machen. Ende letzten Jahres starteten das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, der Materialhersteller Johnson Matthey Battery Materials, das Maschinenbauunternehmen Coperion und der Zellhersteller VARTA hierzu ein Forschungsprojekt. Darüber informierte jetzt im Januar das ZSW.
Das Vorhaben koordiniert VARTA, während das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 1,6 Millionen Euro das Forschungsprojekt unterstützt, das bis 31. Oktober 2024 läuft. Leichte, sichere und kostengünstige Hochenergiebatterien sollen helfen, den großen CO2-Fußabdruck des Luftverkehrs einzudämmen. Dafür sollten diese möglichst nur ressourcenschonende und umweltverträgliche Materialen enthalten.
Genau an diesen Punkt setzt das Forschungsprojekt an. Es geht um die Entwicklung neuer Prozesse und Aktivmaterialien mit hoher spezifischer Energie und Sicherheit, um sie zu Batterieelektroden zu verarbeiten. Geplant ist, dabei kritische und teure Materialien zu substituieren. So soll an der Anode und Kathode anstelle von dem schädlichen Lösungsmittel N-Methylpyrrolidone, kurz NMP, Wasser zum Einsatz kommen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind für die industrietaugliche Herstellung von Rundzellen vorgesehen.
Darüber hinaus gilt es die nennenswerten Anteile des teuren und krebserregenden Metalls Kobalt, wie sie in kommerziellen Hochenergiezellen noch üblich sind und das zudem auch teilweise unter prekären Bedingungen abgebaut wird, zu ersetzen. „Ein wichtiges Projektziel wird sein, kobaltfreie Kathodenmaterialien durch die Entwicklung geeigneter Prozessbedingungen in zukünftigen Batterien zum Einsatz zu bringen“, sagt Prof. Dr. Markus Hölzle, ZSW-Vorstandsmitglied und Leiter des Geschäftsbereichs Elektrochemische Energietechnologien in Ulm. „Auf der Anodenseite soll durch den Einsatz von Siliziumoxid der Energieinhalt deutlich erhöht werden. Neu ist auch, dass die Herstellung beider Elektroden wasserbasiert erfolgt, also ohne die Nutzung der heute üblichen, toxischen Lösungsmittel.“
Mehr spezifische Energie und weniger Gewicht
Das Konsortium will im Vergleich zur bereits verfügbaren nachhaltigen Zellchemie die spezifische Energie der Batteriezellen um bis zu 20 Prozent erhöhen. Dadurch würde sich das Gewicht der Batterien bei gleichem Energieinhalt deutlich verringern. Vier Maßnahmen stehen auf der Forshcungsagenda, um das zureichen:
- Verwenden von intrinsisch sicherem Lithiummanganeisenphosphat (LMFP) an Stelle des etablierten Lithiumeisenphosphats (LFP) als Kathodenmaterial. Beide Materialien sind frei von den kritischen Rohstoffen Nickel und Kobalt. Zugleich enthält LMFP mehr Energie als LFP.
- Erhöhen der Flächenkapazität um 40 Prozent gegenüber einer LFP-Kathode.
- Ersetzen des stetig knapper und teurer werdenden Graphits auf der Anodenseite durch das reichlich verfügbare Siliziumoxid (SiOx). Weil der Energieinhalt von SiOx deutlich höher ist als der von Graphit, lässt sich damit Gewicht und Volumen der Batterien einsparen.
- Beschichten der Elektroden nicht mehr mit dem gefährlichen Lösungsmittel NMP, sondern mit Wasser.
Industrietaugliche Zellherstellung
Ziel sind industrietaugliche Prozesse auf Grundlage der Verbesserungen, um im Pilotmaßstab leistungsfähige und sichere Batterien bauen zu können. Am ZSW in Ulm planen die Projektpartner, die Prozesse auf einer eigenen Pilotlinie zu erproben und in kleinen Laborbatterien als Demonstrator zu validieren. Parallel will VARTA die Ergebnisse des Projekts in die Produktion von gewickelten Knopfzellen und 21700-Rundzellen einführen.
Die so entwickelten Batterien können laut ZSW in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz kommen. Eine wichtige Anwendung in der Mobilität sei die Luftfahrt. Batteriebetriebene Flugzeuge entwickelten derzeit verschiedene Firmen. Ein hoher Energieinhalt und höchste Sicherheit seien Schlüsselfaktoren für elektrisches Fliegen mit Hochleistungsbatterien.
