Kobaltfreie Batterien für nachhaltige Elektromobilität
DLR
Mihalea Buga, ICSI
- Im EU-Verbundprojekt HYDRA forscht das DLR an nachhaltigen Lithium-Ionen-Batterien. Diese enthalten insgesamt 85 Prozent weniger problematische Rohstoffe.
- Das DLR-Institut für Technische Thermodynamik analysiert die elektrochemischen Vorgänge im Inneren der neuartigen Batterien und erprobt deren Leistung und Langzeitstabilität.
- Ressourcenschonende Batteriekonzepte und umweltfreundliche Herstellungsverfahren sollen die europäische Batteriewirtschaft stärken.
- Schwerpunkte: Energie, Verkehr, Klimawandel, Elektromobilität
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) forscht im EU-Verbundprojekt HYDRA gemeinsam mit elf europäischen Projektbeteiligten an Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation. Im Mittelpunkt des Projekts steht der Aspekt der Nachhaltigkeit: Die Elektroden dieser neuartigen Batterien für Elektromobilität sind frei von Kobalt. Sie enthalten dadurch 85 Prozent weniger umweltschädliche Rohstoffe. Ein industrietauglicher Prototyp soll für einen realen Betrieb in einem Schiffsbatteriesystem erprobt werden.
DLR-Expertise: Experimentelle Tests und Analyse elektrochemischer Vorgänge
Moderne Elektromobilität stellt hohe technische und wirtschaftliche Anforderungen an Batteriesysteme. Neben Energiedichte und elektrischer Leistung sind bestmögliche Lebensdauer, Öko-Bilanz und Kosteneffizienz besonders wichtige Aspekte. Mit neuartigen Elektrodenmaterialien, wie sie in den HYDRA-Batterien verwendet werden, lassen sich hohe Energiedichten und Batterieleistungen gleichzeitig realisieren.
Dafür erproben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Stuttgarter DLR-Instituts für Technische Thermodynamik die Leistungsfähigkeit der neuen Batterien. Ebenso analysieren sie die elektrochemischen Prozesse, die während des Betriebs in deren Innerem ablaufen. Wie lange und wie zuverlässig die Batteriezellen funktionieren untersuchen die Forschenden, indem sie die Batterien immer wieder auf- und entladen. Dabei berücksichtigen sie unterschiedliche Betriebsbedingungen, wie sie auch im Alltag vorkommen: „Wir messen, wie sich die elektrische Leistung und die Speicherkapazität nach vielen hundert Lade- und Entladezyklen verändert, zum Beispiel bei hohem Leistungsbedarf, bei besonders schnellen Ladevorgängen sowie bei unterschiedlichen Temperaturen“, erläutert Dennis Kopljar, Leiter des DLR-Arbeitspakets im HYDRA-Projekt. „Am Ende öffnen wir die Batteriezellen und schauen uns an, wie sich Struktur und Zusammensetzung der Materialien während des Betriebs verändert haben.“
Auf Grundlage der experimentellen Ergebnisse des DLR simuliert das norwegische Forschungsinstitut SINTEF im Anschluss die chemischen und physikalischen Prozesse in den Batterien. Die Forscherinnen und Forscher passen so die Elektrodenmaterialien und das Zelldesign schrittweise an unterschiedliche Anforderungen an. Die im Labormaßstab gewonnen Erkenntnisse lassen sich dann auf die industrielle Ebene übertragen.
„Dieses Wissen ist besonders für die Anwender relevant: Wieviel Energie und welche Leistung kann ein Batteriesystem liefern? Wie oft muss es geladen werden? Welche Speicherfähigkeit haben die Batterien nach 10 Jahren im Einsatz? Mit diesen Informationen können Konstrukteure Batteriesysteme und deren Betriebsmodi passend für die jeweilige Anwendung auslegen“, so DLR-Forscher Kopljar.
Nachhaltige Batterien als Chance für europäische Hersteller
Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus enthalten die Elektroden der HYDRA-Batterien kein Kobalt mehr, sondern bestehen aus unproblematischen Materialien, wie Eisen, Mangan und Silizium. Um die neuartigen Elektroden umweltfreundlich, ressourcenschonend und kosteneffizient herzustellen, entwickelt das HYDRA-Team auch nachhaltige Produktionsverfahren auf Wasserbasis ohne organische Lösemittel. Damit leistet das Projekt einen wesentlichen Beitrag, um die europäische Wertschöpfungsketten im Bereich der Batterieherstellung zu stärken und internationale Wettbewerbsvorteile zu schaffen.
Für eine klimafreundliche und ressourcenschonende Mobilität von morgen nehmen nachhaltige Batterien eine Schlüsselrolle ein. Ganzheitlich gesehen ist dabei der CO2-Fussabdruck ebenso wichtig wie nachhaltige Lieferketten und Handelsbedingungen.
Über HYDRA
Die Europäische Union fördert das auf vier Jahre angelegte Forschungsprojekt HYDRA mit insgesamt 9,4 Millionen Euro im Rahmen des Programms Horizon 2020. In das Konsortium sind 12 führende Partner aus der europäischer Batterieindustrie und -Forschung eingebunden: Projektkoordinator ist die größte, skandinavische und unabhängige Forschungsorganisation Norwegens SINTEF, weiter beteiligt sind die Universität von Louvain, das FAAM Research Center, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das National Research and Development Institute for Cryogenics and Isotopic Technologies (ICSI) RM Valcea, Solvionic, Corvus Norway AS, die Polytechnische Universität Turin, Elkem ASA, Johnson Matthey, die Universität Uppsala und die French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA).