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Elektrolytersatz 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 Ersatz bisher verwendeter Elektrolyte durch alternative Materialien und Ansätze ist komplementär zum Ersatz von Bestandteilen der Elektroden.
Eine vielversprechende Forschungsrichtung ist die Entwicklung von Festkörperelektrolyten, die die flüssigen Elektrolyte aktueller Lithium-Ionen-Batterien ersetzen. In Deutschland forscht etwa das Fraunhofer Institut in Würzburg zu Festkörper-Akkusystemen. Relativ weit voran geschritten ist das amerikanische Start-Up Unternehmen Ionic Materials, daß einen festen Polymer für den Einsatz als Elektrolyt entwickelt hat und von einer Renault-Nissan-Mitsubishi-Allianz unterstützt wird. Hier soll ein entsprechender Akku bis zur Marktreife weiterentwickelt werden. Neben den geringen Anschaffungs- und Herstellungskosten ist die Batterie durch den Polymerelektrolyten stabiler und auch einer sehr geringen Brandgefahr ausgesetzt, vgl. [VDE15b]. Dieser Elektrolytersatz bietet auch weitere Vorteile. Bei festen Elektrolyten entfällt die zusätzliche Kühlung, die die Erhitzung des flüssigen Elektrolyts über einen Kühlkreislauf kompensiert. Auch die Energiedichte der Feststoffbatterie ist höher als eine Lithium-Ionen-Batterie mit flüssigem Elektrolyten. Mit diesem Elektrolytersatz kann somit eine Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Volumeneinsparung erwartet werden. Eine aktuelle Barriere dieser Technologie ist allerdings die geringe Stromstärke während der Lade- und Entlade-Vorgängen, vgl. [Con18]. Das Problem hierbei ist die unzureichende Leitfähigkeit der Ionen im Festkörper-Akku. Die Ionen wandern im Festkörper mit einer geringeren Geschwindigkeit als im aktuellen Elektrolyten, wodurch die Stromstärke geringer ausfällt, vgl. [Mich19].
Ein weiterer Forschungsansatz ist der Ersatz der Elektrolytlösung durch eine Salz-Wasser-Lösung. Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) entwickeln eine solche Batterie mit einer hochkonzentrierten Lösung des Salzes Natrium-FSI. Dieses Salz ist extrem gut wasserlöslich, sieben Gramm des Salzes lösen sich in einem Gramm Wasser. Die entsprechende Lösung bleibt bei hohem Salzgehalt flüssig, enthält jedoch kein ungebundenes Wassermolekül mehr. Die Elektrolytlösung in dieser Variante ermöglicht deutliche Ressourcenvorteile, da der Rohstoff Wasser auf der einen Seite günstig in der Anschaffung ist und auf der anderen Seite zeitsparend und fehlerfrei eingebaut werden kann. Die Natrium-FSI-Wasserlösung ist jedoch nur bis zu einer Spannungsdifferenz von 2,6 Volt stabil ist und liefert somit eine deutlich geringere Spannung als Lithium-Ionen-Batterien mit ca. 3,7 Volt. Zudem besitzen sie eine geringere Energiedicht als letztere und benötigen deswegen etwa doppelt so viel Platz. Es ist zwar nicht auszuschließen, dass die Salzwasserbatterien dennoch in Zukunft auch in Elektroautos zum Einsatz kommen, momentan konzentriert sich die Forschung jedoch auf stationäre Stromspeicheranwendungen [RWE20, Butz18].
Inwiefern das aktuelle Batteriesystem der Lithium-Ionen-Batterie dauerhaft von neuartigen Batterie-Technologien abgelöst werden kann, ist zu hinterfragen. Denn aktuell befinden sich viele Forschungsaktivitäten in einer Entwicklungsphase, die von der Lithium-Ionen-Batterie bereits länger überschritten wurde. Es besteht dementsprechend die Gefahr, dass der Lithium-Ionen-Batterietyp unter allen Systemen führend bleibt, obwohl deutliche technische und wirtschaftliche Fortschritte der anderen Batteriesysteme zu verzeichnen sind.
 
 
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Batterieforschung im Kontext der Elektromobilität (Stand des Wissens: 13.04.2022)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?506185
Literatur
[Butz18] Butz, Leonie Salz ist die Lösung: Günstige Batterien aus Wasser, 2018/01/16
[Con18] Conrad, Bernd Neue Super-Akkus für Elektroautos, 2018/08/20
[Mich19] Michaely, Peter Die Batterie beim Elektroauto: Hersteller, Typen, Technik, 2019/01/10
[RWE20] RWE AG (Hrsg.) Zuverlässig, nachhaltig, nicht entflammbar: Salzwasserakkus, 2020/02/28
[VDE15b] Rahimzei, Ehsan , Sann, Kerstin , Vogel, Moritz Kompendium: Li-Ionen-Batterien - Grundlagen, Bewertungskriterien,
Gesetze und Normen, 2015/07
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.

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

https://www.forschungsinformationssystem.de/?506144

Gedruckt am Dienstag, 27. September 2022 23:44:17