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Elektrodenersatz bei Batterien für Elektromobilität

Erstellt am: 05.12.2019 | Stand des Wissens: 13.04.2022
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Der Ansatz versucht, Bestandteile der Kathode und/oder Anode der Batteriezelle zu ersetzen. Dazu gibt es einige Möglichkeiten, die Chancen auf eine erfolgreiche Umsetzung bieten.
Als Schlüsselelement für Lithium-Ionen-Batterie (LIB) Systeme gelten die Lithium-Metall-Anoden, durch welche sich sowohl die volumetrischen als auch die gravimetrischen Energiedichten wesentlich erhöhen lassen würden. Bei diesen Anoden wird auf das - wie beispielsweise im Anodenmaterial Graphit vorhandene - Wirtsgitter verzichtet. Bei Aufladevorgängen hat das System jedoch mit Dendritenwachstum zu kämpfen, welches zu einem Kurzschluss der Zelle führen kann. Diese und weitere Herausforderungen gilt es zu meistern, bevor die Lithium-Metall-Anode Marktreife erlangen kann [KLiB21h].
Eine weitere Möglichkeit bestünde darin, den Rohstoff Lithium mit Natrium oder Aluminium zu ersetzen. Daran wird zurzeit in den Projekten Transition bzw. Alibatt im Rahmen der Förderinitiative Batterie 2020 des BMBF [vgl. KLiB21a] als auch im Exzellenzcluster POLiS [vgl. KIT21] geforscht. Die beiden Materialien bieten gegenüber Lithium einige Vor- wie auch Nachteile.
Natrium ist aufgrund seiner hohen natürlichen Vorkommnisse sehr günstig. Da Natrium-Ionen jedoch vergleichsweise schwerer und größer sind, besitzen Natrium-Ionen-Batterien (NIB) gegenüber Lithium-Ionen-Batterien (LIB) geringere Energiedichten. Zudem weisen NIB eine circa 0,3 Volt geringere Zellspannung auf. Für die Anwendung in Festkörperbatterien eignen sich jedoch die Natrium-Ionen besser, da sie schnell durch Festkörperelektrolyte diffundieren [vgl. KLiB21b].
Auch bei der Verwendung von Aluminium anstelle des Lithiums ist mit geringeren Kosten zu rechnen. Zudem benötigen Aluminium-Ionen-Batterien theoretisch nur ein Viertel des Platzes von vergleichbaren LIB bei gleicher Kapazität, was sich positiv auf die volumetrische Energiedichte auswirkt. Dafür sind sie jedoch schwerer als LIB, was eine kleinere gravimetrische Energiedichte bedeutet [vgl. KLiB21c].
Beide Batteriesysteme, die NIB als auch die Aluminium-Ionen-Batterien, befinden sich in der Entwicklungsphase und noch fehlt der Nachweis, dass sie wirtschaftlich anwendbar sind. Die NIB stehen jedoch deutlich näher an der Markteinführung, werden aber aufgrund der geringen Energiedichte voraussichtlich zunächst im stationären Bereich eingesetzt [vgl. KIT21a].
Eine weiterer Ansatz ist die Verwendung von Silizium als Äquivalent für das Graphit. Wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universität Kiel zeigten das hohe Speicherpotential und die potentiell hohe Energiedichte von Silizium auf. Zudem ist Silizium eines der häufigsten vorkommenden Elemente der Welt. Im vom BMBF geförderten Projekt KaSiLi forschen Wissenschaftler des Fraunhofer IWS und der TU Dresden an der Entwicklung einer solch hochenergetischen Batterie-Elektrode [IWS19]. Die Idee besteht darin, die Graphit-Anoden der Batteriezelle durch vollständige Silizium-Anoden zu ersetzen. Anders als Lithium ist das Halbmetall Silizium nicht entzündlich. Bislang galt die mechanische Stabilität von Silizium, die Grundlage für eine lange Lebensdauer ist, als problematisch. Durch seine hohe Energiedichte nimmt dieses Anodenmaterial besonders viele Lithiumionen auf und kann sich dadurch um bis zu 400 Prozent ausdehnen. Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurde aufgezeigt, dass ein neu strukturiertes Material dieses Problem beseitigen kann. Das sonst spröde Silizium kann mit einer Mikrostruktur als dünner Draht eine ausreichende Flexibilität aufweisen, um Dehnungen standhalten zu können, vgl. [Grae18]. Das US-Unternehmen Enevate, welches solche Batterien entwickelt, verspricht eine Ladung der Batterie auf 75 Prozent, was einer Reichweite von 400 Kilometer entspricht, innerhalb eines Ladevorgangs von nur 5 Minuten [vgl. Enev21]. Dies macht die Technologie höchst interessant für die Anwendung im Bereich der Elektromobilität.
Auch die Methode der Lithium-Luft-Batterie gilt als eine zielführende Lösung. Anders als beim klassischen Batteriesystem besteht eine Elektrode aus Lithium und die weitere Elektrode aus Kohlenstoff mit einer ständigen Sauerstoffzugabe. Durch diese Methode kann eine Energiedichte erreicht werden, die etwa das zehnfache der derzeitigen Batteriesysteme beträgt. In der Praxis erreicht die Batterie allerdings nur eine Lebensdauer von einigen Ladezyklen und leidet unter relativ hohen Spannungsverlusten beim Laden und Entladen. Im Rahmen der Förderinitiative Batterie 2020 werden deswegen in mehreren Projekten Lösungsansätzen hierfür erarbeitet. Im Projekt AMaLiS forschen die Wissenschaftler zu Komponenten für die Lithium-Luft Batterie, deren Einsatz zu Zyklenstabilität sowie einer höheren Effizienz führen sollen. Das Ziel des Projektes, die Entwicklung eines Prototypens, soll die wirtschaftliche Anwendbarkeit des Batteriesystems nachweisen [vgl. KLiB21d]. Auch im Projekt MeLuBatt wird nach Lösungen gesucht, die die Lebensdauer der Lithium-Luft-Batterie deutlich erhöhen soll [vgl. KLiB21k]. In weiteren Projekten dieser Förderinitiative wird an Metall-Luft-Batterien geforscht, bei denen das Lithium durch Eisen [vgl. KLiB21e] oder Zink [vgl. KLiB21f] ersetzt wird. Diese Technologien sind jedoch noch weit von der Marktreife entfernt.
Schließlich wird auch an Metall-Schwefel Batterien geforscht, bei denen es sich perspektivisch um besonders kostengünstige Batterien handeln wird, denn der reichlich vorhandene Schwefel würde die seltenen Rohstoffe Cobalt und Nickel ersetzen. Jedoch hat selbst die am weitesten entwickelte Batterie dieser Technologie, die Lithium-Schwefel-Batterie, bisher noch keine Marktreife erlangt. Insbesondere die noch sehr begrenzte Lebensdauer von weniger als 200 Be- und Entladezyklen macht der Technologie zu schaffen [KLiB21h]. An Lösungsansätzen für die Degradierung innerhalb der ersten Ladezyklen wird deswegen intensiv geforscht [vgl. KLiB21i, KLiB21j].
Die Forschungen zu weiteren Metall-Schwefel-Batterien wie der Magnesium-Schwefel- und Natrium-Schwefel-Batterien befinden sich noch in den Anfangsstadien [KLiB21g, ISI17c].
 
 
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Batterieforschung im Kontext der Elektromobilität (Stand des Wissens: 13.04.2022)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?506185
Literatur
[Enev21] Enevate Corporation (Hrsg.) Fire Hose vs. Garden Hose, 2021
[Grae18] Grävemeyer, Arne Neuer Silizium-Akku verzehnfacht die mögliche Energiedichte, 2018/04/27
[ISI17c] Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel (Hrsg.) Energiespeicher-Roadmap
Hochenergie-Batterien 2030+ und Perspektiven zukünftiger Batterietechnologien, 2017
[IWS19] Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) (Hrsg.) »KaSiLi«: Bessere Batterien für Elektroautos »Made in Germany«, 2019/11/11
[KIT21] Karlsruher Institut für Technologie (Hrsg.) Post Lithium Storage Cluster of Excellence - Forschung , 2021
[KIT21a] Karlsruher Institut für Technologie (Hrsg.) Post Lithium Storage Cluster of Excellence - Natrium, 2021
[KLiB21a] Batterie 2020, 2021
[KLiB21b] TRANSITION: Die Natrium-Ionen-Batterie, 2021
[KLiB21c] ALIBATT: Die Aluminium-Ionen-Batterie, 2021
[KLiB21d] AMaLiS: Neue Materialien für Li-Luft, 2021
[KLiB21e] FeEnergy: Eisen-Slurry-Luft-Batterie, 2021
[KLiB21f] ZilSicher: langes Leben durch Struktur, 2021
[KLiB21g] MagS: Entwicklung einer Mg-S-Batterie, 2021
[KLiB21h] Zukünftige Batteriesysteme, 2021
[KLiB21i] SepaLiS: Neue Separatorbeschichtungen, 2021
[KLiB21j] StickLiS: Polysulfid-Anker, 2021
[KLiB21k] MeLuBatt: Lang lebe Metall-Sauerstoff, 2021
Weiterführende Literatur
[Grote18] Grotelüschen, Frank Deutschland sucht den Superakku, 2018/03/11
[Mich19] Michaely, Peter Die Batterie beim Elektroauto: Hersteller, Typen, Technik, 2019/01/10
Glossar
Elektromobilität
Die Elektrifizierung der Antriebe durch Batterie- und Brennstoffzellentechnologien. Im Kontext des "Nationalen Entwicklungsplans Elektromobilität" wird der Begriff auf den Straßenverkehr begrenzt. Hierbei handelt es sich insbesondere um Personenkraftwagen (Pkw) und leichte Nutzfahrzeuge, ebenso werden aber auch Zweiräder (Elektroroller, Elektrofahrräder) und Leichtfahrzeuge einbezogen.
BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?506138

Gedruckt am Dienstag, 27. September 2022 17:04:20