Einer der großen Kostentreiber bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien ist die allererste Aufladung. „Dabei muss man sehr vorsichtig sein, und das kann bis zu einer Woche dauern“, sagt Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann. Er ist Leiter eines Forschungsteams an der Ruhr-Universität Bochum, das am Projekt „Nano-Bat“ beteiligt ist.
Der Grund dafür liegt in Prozessen, die bei der ersten Aufladung in der Batterie ablaufen. Beide Elektroden sind in ein Lösungsmittel eingebettet. Bei den hohen Voltzahlen der Batterien zersetzt sich dieser sogenannte Elektrolyt. Dabei bilden sich an der Elektrode Ablagerungen, die eine nur wenige Nanometer dünne, feste Schicht bilden.
Experten sprechen von der Solid Electrolyte Interphase, kurz SEI. „Diese Schicht ist also eigentlich ein Zersetzungsprodukt, aber notwendig, denn wenn sie sich gebildet hat, zersetzt sich der Elektrolyt nicht weiter“, erläutert Schuhmann.
Prozesse sind bisher unerforscht
Von der SEI-Schicht hängt die Qualität der Batterie ab; sie darf weder zu dick, noch zu dünn, noch unvollständig sein. Da sich die Schicht während der ersten Aufladung bildet, muss dabei alles stimmen. Spannung, Temperatur und viele andere Faktoren beeinflussen den Entstehungsprozess. „Wie das alles ablaufen muss, ist aber bisher nicht ausreichend erforscht“, sagt Schuhmann, „und man kann eben nicht in die Batterie hineinschauen.“
Das will das Projektteam nun ändern. Aufbauend auf dem Grundverständnis der Prozesse, die bei der Bildung der SEI-Schicht ablaufen, wollen die Forscher Nanosensoren entwickeln, die dann in die Batterien eingebaut werden sollen. Mit ihrer Hilfe ließe sich die SEI-Bildung dann überwachen. „Damit soll die Phase der ersten Aufladung optimiert werden, sodass die dafür benötigte Zeit drastisch verringert wird“, erklärt Schuhmann.
Enormes wirtschaftliches Potenzial
Die nachhaltige Speicherung elektrischer Energie gehört zu den größten Herausforderungen dieses Jahrhunderts. Die Europäische Union schätzt die Batterieproduktion als eine der künftigen Schlüsselindustrien ein, mit einem ungefähren Marktpotenzial von 250 Milliarden Euro bis 2025.
Am Projekt beteiligte Partner
Das Projekt-Konsortium unter Federführung der österreichischen Firma Keysight Technologies wird seit 1. April 2020 für drei Jahre mit rund fünf Millionen Euro von der Europäischen Kommission gefördert. Die zwölf Partner im Projekt „Nano-Bat“ sind:
Austrian Institute of Technology, Österreich
Centro Ricerche Fiat, Italien
Europäisches Forschungs- und Projektbüro Eurice, Deutschland
Bundesamt für Metrologie Metas, Schweiz
Imdea Energie-Institut, Spanien
Johannes-Kepler-Universität Linz, Österreich
Keysight Technologies, Österreich
Kreisel Electric, Österreich
Pleione Energy, Griechenland
QWED, Polen
Ruhr-Universität Bochum, Deutschland
Technische Universität Braunschweig, Deutschland
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