Verbesserte Lithium-Ionen-Akkus für Elektrofahrzeuge
Li-Ion-Akkus werden für immer mehr kleine tragbare und mobile Geräte zu einer unersetzlichen Energiequelle. Aufgrund ihrer überwältigenden Vorteile gegenüber anderen Akkutypen – zum Beispiel die höhere Energiespeicherungsdichte – haben sie auch eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten außerhalb des technologischen Kernbereichs eröffnet, darunter Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Fahrzeughersteller hoffen, dass die verbesserte Akkutechnik in punkto Leistung, Kosten, Sicherheit, Wiederverwendbarkeit, Lebensdauer und Gewicht die Reichweite von Elektrofahrzeugen erweitern und Kosten senken kann – damit Elektrofahrzeuge letztlich zu einer attraktiveren Option für Kunden werden. Das EU-finanzierte Projekt SPICY zielte auf die Entwicklung eines leistungsstärkeren, günstigeren, sichereren, leichtereren, länger haltbaren, umweltfreundlichen Li-Ion-Akkus ab, der den Anforderungen von Elektrofahrzeugführern gerecht werden soll. Das Projekt befasste sich mit Produktionsprozessen und der gesamten Wertschöpfungskette für die Materialien, die zur Herstellung von Li-Ion-Akkus verwendet werden. „Die Entwicklung neuer chemischer Stoffverbindungen und Zellarchitekturen für Li-Ion-Akkus ist der einzige Weg zur Steigerung von Zellkapazität und Energiedichte, die jeweils zu mehr Autonomie von Elektrofahrzeugen beitragen“, bemerkt Projektmanager Willy Porcher. Neue Materialien Die Projektinnovationen hingen von der Entwicklung neuartiger aktiver Materialien und stabiler Elektrolyte, der Verwendung eines umweltfreundlicheren Lösungsmittels für die Herstellung und der Evaluation neuer und optimierter Zellarchitekturen und -verpackungen mithilfe von Ökodesignkonzepten ab. Zur Verwendung als positive Elektrode wurden Verbesserungen in der Energiedichteleistung von Phosphatmaterialien erzielt, wobei mit Lithium-Eisenphosphat, LiFePO4, begonnen wurde. Ungeachtet der Tatsache, dass es sich hierbei um ein sicheres und beständiges Material zur Verwendung in Kathoden handelt, ist dessen Energiedichte aufgrund des elektrochemischen Potentials von Eisen gering. Unter Verwendung von Übergangsmetallen mit einem höheren Potential als Eisen steigerten die Forscher erfolgreich die elektrochemische Leistung und Energiedichte des Materials. Es wurden Elektrolyte mit einem breiten elektrochemischen Fenster geprüft, darunter auch Sulfolan und Adiponitril, die beide die Zyklusleistung verbesserten. Die Forscher demonstrierten auch, dass der wässrige Prozess für die Kathodenherstellung den Recyclingprozess vereinfacht, sodass mehr als 50 % des Akkus zurückgewonnen werden können. Das Team untersuchte überdies neuartige Materialien für die Anode, darunter Silizium in Kombination mit einem Graphit-Verbundstoff oder mit einer Germanium-Legierung. Über neue Syntheseprozesse für Nanopartikel und Kern-Schalen-Strukturen wurde Silizium hergestellt, um die Partikelstabilität zu verbessern. Die Zugabe von Li-Imid-Salzen zu den Elektrolyten erwies sich als nützlich für die Zyklusstabilität der Li-Ion-Zelle, sodass eine stabilere Schnittstelle zwischen Elektrolyt und Elektroden geschaffen wurde. Im Rahmen von SPICY wurden vier verschiedene Zellarchitekturen geprüft und zudem eine modulare leichte Verbundverpackung sowie ein beständiger Leistungsstecker hergestellt, der keinen zusätzlichen Widerstand zeigte. „Diese sogenannten dreidimensionalen Schaltungsträger in Kombination mit Verbundverpackungen für Zellen werden zu äußerst kompakten Systemen mit höherem Sicherheitsniveau, kleinerem Volumen und geringeren Kosten führen“, bemerkt Porcher. Kostengünstigere Hochleistungsakkus Die Lebenszyklusanalyse und Kostenanalyse durch das Projekt waren dabei behilflich, die besten Optionen für die Herstellung von Li-Ion-Akkus der nächsten Generation für Elektrofahrzeuge in Europa anzugehen. „In unserem Bestreben, die Auswirkungen von Akkus auf die Umwelt zu minimieren, kamen wir zu dem Schluss, dass es am besten ist, den Fokus auf die Verbesserung des Energiegehalts zu legen, anstatt die Materialien mit den geringsten Umweltauswirkungen auszuwählen“, bemerkt Porcher. Dank der Verwendung kostengünstigerer Materialien und einer intelligenten Zellbauweise bestand das oberste Ziel des Projekts in der Reduktion der Akkuherstellungskosten um 20 % sowie in einer Leistungssteigerung um 20 %. Durch die Kostenoptimierung und Einbeziehung von Ökodesignprinzipien soll die multidisziplinäre Kooperation, an der Partner aus der Industrie, der Wissenschaft und Forschungszentren beteiligt sind, zur Schaffung einer starken industriellen Basis für europäische Akkuhersteller beitragen, um globale Märkte zu erschließen.
Schlüsselbegriffe
SPICY, Elektrofahrzeug, Lithium-Ion (Li-Ion), Akkus, Energiedichte, Zellarchitektur, Elektrode, Verbundverpackung, Lithium-Eisenphosphat
