Der Bedarf an Antriebsbatterien für Elektroautos wird in den nächsten Jahren dramatisch steigen. Gegenwärtig kommen mehr als 90 Prozent dieser Akkus aus Asien.
Die EU-Kommission hat daher 2017 die European Battery Alliance ins Leben gerufen, um Kompetenz und Fertigungskapazitäten dieser Schlüsseltechnologie in Europa aufzubauen. Alleine die europäische Nachfrage nach Lithium-Ionen Batterien wird zehn bis 20 sogenannte Gigafactories für Batterien notwendig machen, schätzen Experten.
Die Forschung im Projekt Sense ist Teil der European Battery Alliance und wird ihm Rahmen des EU-Forschungsförderprogramms Horizont 2020 mit zehn Millionen Euro gefördert. Die elf Forschungspartner von Sense – fünf Forschungsinstitute und sechs Industrieunternehmen – forschen in ihren Arbeiten an Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation: der Generation 3b.
Lithium-Ionen-Batterien der Generation 3b
Im Unterschied zu aktuellen Antriebsbatterien soll diese nächste Generation eine höhere Energiedichte, eine verbesserte Zellchemie und ein verbessertes Batteriemanagement aufweisen. Statt Anoden aus reinem Graphit werden solche aus Silizium-Graphit-Composites angestrebt.
In der Kathode wollen die Forscher den Anteil an kritischem Kobalt weiter senken. Neue Additive in der Elektrolytflüssigkeit sowie Schutzschichten sollen die Batterien außerdem langsamer altern lassen und mehr Ladezyklen ermöglichen.
Zu einer längeren Lebensdauer und besseren Schnellladefähigkeit werden auch neue Sensoren beitragen, die aus dem Inneren der Batteriezellen Daten ans Batteriemanagement liefern. Diese Daten sollen ein deutlich verfeinertes Temperaturmanagement im Vergleich zu heutigen Lithium-Ionen-Zellen erlauben.
Die Nachhaltigkeit der 3b-Zellen soll die heutige Generation ebenfalls übertreffen. Die Kathode soll ohne den Einsatz von brennbaren und toxischen Lösungsmitteln hergestellt werden, was die Serienproduktion der Zellen stark vereinfachen und verbilligen würde.
Serienproduktion und Recycling
Alle Aspekte der Sense-Forschung sind darauf ausgerichtet, die Zellen der nächsten Generation in europäischen Gigafactories herzustellen. Um im Wettbewerb der Zukunft zu bestehen, sind deshalb besonders kostengünstige und rohstoffsparende Produktionsmethoden entscheidend. Auch die Weiterverwendung gealterter Fahrzeugbatterien als stationäre Speicher und schließlich das Recycling der Batterien wird im Projekt Sense berücksichtigt.
Eine entscheidende Rolle spielt dabei die schwedische Firma Northvolt. Sie wurde 2016 von zwei ehemaligen Tesla-Mitarbeitern mitgegründet, die am Bau der Tesla-Gigafactory in Nevada, USA, beteiligt waren.
Northvolt plant derzeit die erste europäische Gigafactory mit einer Fertigungskapazität von 32 GWh pro Jahr, die in Schweden errichtet werden soll. Eine weitere Gigafactory mit 16 GWh Jahresproduktion soll als Joint-Venture mit Volkswagen in Salzgitter entstehen. Zum Vergleich: Die Tesla-Gigafactory in Nevada produziert nach Angaben des Managements derzeit rund 30 GWh Batterien pro Jahr.
Experten von Northvolt werden die Sense-Forschenden mit regelmäßigen Briefings begleiten. Am Ende des Projekts soll eine Reihe von Batteriezell-Prototypen entstanden sein, deren Fähigkeiten durch einen Demonstrator mit 1 kWh Speicherkapazität bewiesen werden. Am Schluss soll die entwickelte Fertigungstechnologie in Form von Patenten den Weg in die Industrie finden.
Ausblick: Festkörperbatterien der Generation 4b
Das Team von Corsin Battaglia an der Empa, die das Projekt leitet, ist an einem weiteren europäischen Forschungsprojekt namens Solidify beteiligt. Dieses blickt noch weiter in die Zukunft und entwickelt Batterien der übernächsten Generation – sogenannte Festkörper-Lithium-Metall-Batterien.
Im Unterschied zu heutigen Lithium-Ionen Batterien und denen der Generation 3b sollen diese Festkörperbatterien keine flüssigen, feuergefährlichen Bestandteile mehr enthalten. Das macht sie sicherer und resistenter gegen Hitze. Sie können also höhere Leistung abgeben, schneller ge- und entladen werden.
Diese Batterien – genannt Generation 4b – könnten nach Meinung der Experten in etwa zehn Jahren marktreif sein. Sie sollen bei halbem Gewicht und der Hälfte der Baugröße die gleiche Speicherkapazität liefern wie heutige Lithium-Ionen-Batterien, in der Produktion aber nur halb so teuer sein.
Neue Elektrodenarchitekturen sind für die 4b-Batterien notwendig, ebenso wie kostengünstige, innovative Flüssig-Produktionsmethoden für deren Kathode. Die Anode wird aus metallischem Lithium bestehen.
Das Forschungsprojekt Solidify begann am 1. Januar 2020 und läuft genauso wie Sense vier Jahre lang.
Beteiligte Projektpartner an Sense
Forschungspartner der Empa, die das Projekt leitet, sind die Westfälische Wilhelms-Universität Münster, das Forschungszentrum Jülich , die Coventry University, das Austrian Institute of Technology sowie die Firmen Solvionic, FPT Motorenforschung, Lithops, Northvolt, Enwires und Huntsman Advanced Materials .
