Nächste Generation Lithium-Ionen-Batterien

Im Februar 2020 erfolgte der Start für das europäische Batterieforschungsprojekt SeNSE. Eine Forschungsgemeinschaft aus sieben europäischen Ländern will während der kommenden vier Jahre neue Lösungen für Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation finden.

Fünf Forschungsinstitute und sechs Industrieunternehmen aus sieben europäischen Ländern suchen gemeinsam nach Lösungen für die nächste Generation Lithium-Ionen-Batterien. Einer der Partner ist die schwedische Firma Northvolt. Diese will in den nächsten Jahren zwei Gigafactories für Fahrzeugbatterien in Europa errichten. Die Koordination dieses Forschungsprojekts liegt bei einem Team der Empa. SeNSE erhält 10 Millionen Euro Fördergelder.

Steigender Bedarf

Antriebsbatterien für Elektroautos werden in den kommenden Jahren stark gefragt sein. Aktuell wird dieser Bedarf mit über 90 % aus Asien gedeckt. Deshalb entstand auch die EU-Kommission «European Battery Alliance». Diese will Kompetenzen und Fertigungskapazitäten in Europa aufbauen. Experten schätzen, dass 10 bis 20 «Gigafactories» notwendig sein werden, alleine, um die europäische Nachfrage abzudecken.

Batterien der Generation 3b

Die Forschung erfolgt im Rahmen des EU-Forschungsförderprogramms Horizon 2020. Die Forschenden haben sich zum Ziel gesetzt, mit der nächsten Batteriegeneration die Erhöhung der Energiedichte, eine verbesserte Zellchemie und ein optimiertes Batteriemanagement zu erreichen. An Stelle von Anoden aus reinem Graphit sollen es solche aus Silizium-Graphit-Composites werden. Ausserdem soll der Anteil an kritischem Kobalt in der Kathode weiter gesenkt werden. Die Alterung der Batterien soll durch neue Additive in der Elektrolytflüssigkeit sowie Schutzschichten verlangsamt werden und ausserdem mehr Ladezyklen ermöglichen. Ferner sollen neue Sensoren zu einer längeren Lebensdauer und verbesserten Schnelladefähigkeit beitragen. Vom Inneren der Batteriezellen sollen dann Daten ans Batteriemanagement geliefert werden. Dadurch erhofft man ein deutlich verbessertes Temperaturmanagement.

Serienfertigung und Recycling

Die Serienproduktion der Zellen soll ohne den Einsatz von brennbaren und toxischen Lösungsmitteln in den Kathoden hergestellt werden, was die Herstellung vereinfacht und vergünstigt. Die SeNSE-Forschung ist darauf ausgerichtet, die Zellen der nächsten Generation in europäischen Gigafactories herzustellen. Um wirtschaftlich und konkurrenzfähig zu sein, werden besonders kostengünstige und Rohstoff sparende Produktionsmethoden entscheidend sein. Die Weiterverwendung von Fahrzeugbatterien als stationäre Speicher sowie das Batterierecycling soll berücksichtigt werden. Die Projektpartner der Empa (CH) 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).

Gigafactory

Die schwedische Firma Northvolt übernimmt in diesem Forschungsprojekt eine entscheidende Rolle. Die Unternehmer planen derzeit die erste europäische Gigafactory in Schweden. Die Fertigungskapazität soll 32 GWh jährlich betragen. Zwei ehemalige Tesla-Mitarbeiter waren Mitbegründer des Unternehmens. Sie waren auch am Bau der Tesla Gigafactory in Nevada (USA) involviert. Die Verantwortlichen von Northvolt planen eine weitere Gigafactory mit 16 GWh Jahresproduktion. Diese soll als Joint-Venture mit Volkswagen in Salzgitter (D) entstehen. Zum Vergleich: Die Tesla-Gigafactory in Nevada produziert nach eigenen Angaben aktuell rund 30 GWh Batterien pro Jahr.

Am Schluss dieser Forschung soll eine Reihe von Batteriezell-Prototypen entstanden sein. Mittels eines Demonstrators sollen die Fähigkeiten der Batteriezellen-Generation 3b mit 1 kWh Speicherkapazität bewiesen werden. Über Patente sollen dann die neu entwickelten Fertigungstechnologien den Weg in die Industrie finden. Das Forschungsprojekt SeNSE läuft bis zum Frühjahr 2024.

Ausblick Generation 4b

Das Empa-Team ist an einem weiteren europäischen Forschungsprojekt beteiligt: Mit SOLiDIFY will man noch weiter in die Zukunft blicken. Dabei werden sogenannte Festkörper-Lithium-Metall-Batterien der übernächsten Generation erforscht. Im Gegensatz zu aktuellen Lithium-Ionen-Batterien, inkl. Generation 3b, werden diese Festkörperbatterien keine flüssigen, feuergefährlichen Bestandteile mehr enthalten. Durch eine verbesserte Hitzeresistenz erhöht sich die Sicherheit. Damit bieten sie mehr Leistung und können schneller ge- resp. entladen werden.

Die sogenannten Batterien der Generation 4B könnten gemäss der Experten in etwa zehn Jahren marktreif werden. Diese Batterien sollen halb so gross und schwer sein und die gleiche Speicherkapazität bereitstellen wie heutige Lithium-Ionen-Batterien. Die Produktionskosten sollen ebenfalls auf die Hälfte sinken. Dazu braucht es neue Elektrodenarchitekturen, genauso wie kostengünstige Flüssig-Produktionsmethoden für die Batteriekathode. Die Anode soll aus metallischem Lithium bestehen. SOLiDIFY begann am 1. Januar 2020, läuft ebenfalls 48 Monate und wird von der EU gefördert.

 

Lithium-Batterien sind besser als ihr Ruf, Ökobilanz von Lithium-Ionen-Batterien (Artikel, bulletin.ch)

Tüfteln für die nächste Akku­generation, Forschung (Artikel, bulletin.ch)

Die Zahl der Elektroautos steigt weltweit (Blog)

Zweites Leben für E-Bike-Batterien (Blog)

Blackbox Elektro-Auto-Batterie (Blog)

 

Veranstaltungshinweise

 

Quelle: Empa
Foto: pixabay

 

Kommentare zum Beitrag

Noch keine Kommentare zu diesem Beitrag vorhanden.

Einen Kommentar schreiben


Weitere Beiträge