Könnten selbstheilende Batterien die Zukunft der Elektromobilität darstellen?
Ein großer Vorteil bei Lithium-Metall-Batterien ist, dass sie eine sehr hohe Energiedichte aufweisen. Dadurch sind sie äußerst attraktiv für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen der Elektromobilität, bei denen die Energieversorgung über lange Strecken entscheidend ist. „Eine der Herausforderungen bei diesen Batterien ist, dass ihre Lebensdauer noch relativ kurz ist“, erklärt Marja Vilkman, Projektkoordinatorin von HIDDEN, die am Technischen Forschungszentrum Finnland VTT in Finnland tätig ist. „Das liegt zum Teil daran, dass die Grenzfläche zwischen der metallischen Lithiumanode und dem Elektrolyten instabil ist.“ Vilkman erklärt, dass metallische Lithiumstränge – sogenannte Dendriten – während der Lade- und Entladezyklen von der Anode aus zu „wachsen“ beginnen. Daraus entsteht schließlich ein Kurzschluss.
Einen neuartigen selbstheilenden Elektrolyten entwickeln
Ziel des EU-finanzierten Projekts HIDDEN war es, Selbstheilungsmethoden zu erschließen, um dieses Dendritenwachstum zu verhindern. „Unser Ziel lautete, eine Methode zu erarbeiten, die einen neuartigen flüssigkristallinen Elektrolyten verwendet“, sagt Vilkman. „Wir dachten, dass dies sowohl das Dendritenwachstum verlangsamen als auch gebildete Dendriten möglicherweise sogar abbauen und die Batterie bei Bedarf heilen könnte.“ Das Projektteam wollte außerdem einen selbstheilenden Separator mit piezoelektrischen Eigenschaften (d. h. der Fähigkeit, eine elektrische Ladung zu erzeugen) fördern. Dies könnte dabei helfen, das Dendritenwachstum autonom zu verlangsamen, ohne dass ein Eingriff von außen erforderlich ist. „Wir begannen mit der Synthese eines neuartigen selbstheilenden Elektrolyten und optimierten die Molekularstruktur durch Modellierung“, kommentiert Vilkman. „Dieser Werkstoff wurde hauptsächlich in kleinen Batteriezellen getestet. Für den selbstheilenden Separator haben wir einen handelsüblichen Werkstoff verwendet und ein Verfahren erschlossen, um daraus einen porösen Separator herzustellen.“ Diese Prozesse wurden bis zum Pilotmaßstab hochgefahren. Alle Werkstoffe wurden rigoros geprüft und die Fähigkeit zu Selbstheilungsreaktionen analysiert.
Längere Lebensdauer der Batteriezellen
Das Projektteam konnte in kleinen Testzellen nachweisen, dass es mit dem ursprünglichen Konzept gelingt, das Dendritenwachstum zu verhindern. Es war sogar möglich, eine kurzgeschlossene Zelle mit dem Selbstheilungsprotokoll wieder zu aktivieren. „Wir haben außerdem nachgewiesen, dass es möglich ist, die Lebensdauer der Zellen durch den Einsatz selbstheilender Separatoren zu erhöhen“, fügt Vilkman hinzu. Diese Ergebnisse könnten den Weg zur Herstellung von Lithium-Metall-Batterien mit hoher Energiedichte und langer Lebensdauer ebnen. Die Möglichkeiten, die sich hier bieten, sind enorm und reichen von Batterien für Elektrofahrzeuge über tragbare Elektronik bis hin zum Luftverkehr. „Das Projekt hat auch dazu beigetragen, die Rolle der Batterien einem breiteren Publikum näher zu bringen“, so Vilkman. „Da es nicht möglich sein wird, die europäischen Ziele für Klimaneutralität ohne die Akzeptanz der Bürgerinnen und Bürger für Elektrofahrzeuge oder Batterien zu erreichen, denke ich, dass hier positiv Einfluss genommen werden kann.“
Bahnbrechende Forschung zu selbstheilenden Batterien
Kurzfristig hat das Projektteam dazu beigetragen, eine breitere Forschungsgemeinschaft für selbstheilende Batterien zu schaffen. „Für mich persönlich war das ein wichtiger Erfolg“, ergänzt Vilkman. „Wir konnten mehr Menschen für die Arbeit in diesem Bereich ausbilden und gewinnen. Das ist für die Industrie entscheidend.“ Da sich die Forschung noch in einer Frühphase befindet, weist Vilkman darauf hin, dass mehr Arbeit erforderlich ist, um das Konzept in praktische Zellen mit gleichbleibender Qualität zu übertragen. „Wir wollen noch mehr Ergebnisse veröffentlichen“, sagt sie. „Wir hoffen, dass entweder wir oder eine andere Organisation in der Lage sein werden, das gewonnene Fachwissen zu nutzen, um die Technologie weiterzuentwickeln. Wir suchen derzeit nach Finanzierungsmöglichkeiten, um diese Arbeit fortzusetzen.“
Schlüsselbegriffe
HIDDEN, Batterien, Elektromobilität, Elektro, Lithium, Dendriten, Elektrolyt
