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Innovative Manufacturing Routes for Next Generation Batteries in Europe

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Leichter, kostengünstiger, energiedichter: Lithiumbatterien mit Power in Sicht

Mit einer leistungsstarken Batterietechnologie, bei der eine Lithiumfolie und ein Gel-Polymer-Elektrolyt zum Einsatz kommen, soll nun im Vergleich zu den üblichen Lithium-Ionen-Batterien die Energiedichte erhöht werden.

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Ziel einer EU-Initiative sind Batterien, die basierend auf dem langjährigen Bestreben, reines Lithiummetall als Batterieanode zu verwenden, pro Gewichts- und Volumeneinheit mehr Energie speichern können. Dieses Design ist Teil des zukunftsweisenden Konzepts zur Entwicklung sicherer Feststoffbatterien, bei denen kein flüssiger Elektrolyt mehr zwischen den beiden Batterieelektroden erforderlich ist.

Warum vielversprechende Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien wichtig sind

Mit den Lithium-Ionen-Batterien wurde der tragbaren Elektronik geradezu der Weg geebnet, jedoch geht die Liste der praktischen Anwendungen weit über den Betrieb von Anwendungen auf einem Smartphone oder einem Tablet hinaus. Elektrofahrzeuge, Energiespeicherung im Stromnetz und Reservestromversorgungssysteme sind nur einige Beispiele, die mit dieser Batterietechnologie betrieben werden. Die wachsende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien hat einen weltweiten Wettbewerb ausgelöst. Doch wie schneidet Europa in diesem Wettbewerb ab? „Gegen die ganz großen Unternehmen Asiens scheint Europa den Kampf um die Fertigung konventioneller Lithium-Ionen-Zellen verloren zu haben. Wir haben das EU-finanzierte Projekt IMAGE ins Leben gerufen, um das technische Know-how auf diesem Gebiet zurückzubringen und zu erweitern, damit die europäische Batterieindustrie einen Vorsprung vor der Konkurrenz gewinnt“, erklärt Wolfram Kohs, Projektkoordinator und Entwicklungsingenieur bei der AVL List GmbH. IMAGE vereinte partnerschaftlich Beteiligte aus Industrie und Hochschulforschung, um einen gut dokumentierten Fahrplan für die Fertigung kostengünstiger und wettbewerbsfähiger Batteriezellen aufzustellen. Die Forschung beschränkte sich dabei nicht unbedingt auf Lithium-Ionen-Batterien, sondern betrachtete gleichermaßen noch modernere und vielversprechendere Lithium-Alternativen.

Lithium-Ionen oder Lithium-Metall?

Die Suche nach Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien ist für Anwendungen relevant, bei denen diese Technik ihre Grenzen erreicht. „Speziell gilt das für die Elektromobilität, die vor allem durch die Nachfrage nach finanziell erschwinglichen Lithium-Ionen-Batterien mit höherem Energiegehalt angetrieben wird“, merkt Kohs an. „Lithium-Metall-Batterien sind vielversprechende Alternativen für Elektrofahrzeuge, bei denen eine große Reichweite sowie ein geringes Gewicht und Volumen stark von Belang sind.“ Eine Lithium-Metall-Batterie kann durchaus der konventionellen Lithium-Ionen-Technologie den Rang ablaufen und sogar etwa doppelt so viel Strom pro Kilogramm speichern. Erreicht wird das, indem das Anodenmaterial (meist Grafit) durch eine dünne, leichtere Lithiumschicht ersetzt wird. Die Reichweite von Elektrofahrzeugen wird durch die Speicherung von deutlich mehr Energie bei geringerem Gewicht vergrößert.

Verbesserte Elektrolyt- und Kathodenmaterialien

Als ein weiteres Element, das zu einer ausgezeichneten Batterieleistung beitragen könnte, gilt der Einsatz eines neuen Gel-Polymer-Elektrolyten, der in mehreren Durchläufen intensiv erprobt und verbessert wurde. Mithilfe eines Elektrolyten können die Lithium-Ionen während der Lade- und Entladezyklen der Batterie hin und her wandern. Eine Gel-Polymer-Version könnte sich hier als besser geeignet als die traditionellen Flüssigelektrolyten erweisen. Die Projektmitglieder verwendeten außerdem für die Kathode eine Mischung aus Nickel, Kobalt und Mangan, die derart optimiert wurde, dass sie mit wässrigen anstelle von organischen Bindemitteln zum Einsatz kommen kann.

Grundlagen für modernste Lithiumbatterietechnologien schaffen

In der Vergangenheit war die AVL List GmbH an einem anderen Projekt beteiligt, in dem verschiedene Materialkombinationen für Anode, Kathode und Elektrolyt erprobt wurden, um einer starken und wettbewerbsfähigen europäischen Batterieindustrie Rückhalt zu verleihen. „Im Rahmen von IMAGE experimentierten wir mit neuen Batteriematerialien und wir haben einen neuen Zelltyp gebaut. Die eingesetzten Materialien waren kostengünstiger und erforderten bei ihrer Produktion weniger energieintensive Prozesse. Wichtig ist außerdem, dass wir auf organische Lösungsmittel verzichten konnten, was für die Zukunft mehr Batteriesicherheit bedeutet“, erläutert Kohs. Der Prozess der Synthese des Polymer-Gel-Elektrolyten lässt sich vielversprechend in Bezug auf die Realisierung stabiler und leitfähiger Elektrolyt-Grenzflächen an. Die Lösung der im Zusammenhang mit der mechanischen Einbindung und Temperatursteuerung der Zellen bestehenden schwierigen Konstruktionsprobleme bildet zudem eine solide Grundlage für Folgeprojekte. „Die Kombination aus einer dünnen Elektrodenschicht und einem Gel-Polymer-Elektrolyten bietet eine kostengünstige, skalierbare Alternative zu den Lithium-Ionen-Batterien und bedeutet einen Fortschritt bei den Feststoffbatterien. Eine Erweiterung unseres Know-hows und unserer Produktionskapazitäten für diesen Batterietyp könnte Europa im Wettbewerb mit den sehr starken asiatischen Unternehmen unterstützen“, schließt Kohs seine Ausführungen.

Schlüsselbegriffe

IMAGE, Lithium-Ionen-Akkus, Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Metall, Gel-Polymer-Elektrolyt, Feststoffbatterien, Elektrofahrzeuge, AVL List GmbH

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