Forschung

Forschen an der Batterie der Zukunft

Corsin Battaglia und seine Abteilung von der Empa Dübendorf sind daran beteiligt, eine Superbatterie zu entwickeln. Noch haben die Forscher einige Herausforderungen zu meistern.

Marie-Claude Bay und Corsin Battaglia entwickeln an der Empa Materialien für neue Batterien.

Marie-Claude Bay und Corsin Battaglia entwickeln an der Empa Materialien für neue Batterien. Bild: Empa

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Würden heute morgen auf einen Schlag sämtliche Batterien den Geist aufgeben, stünde die Welt still. Das mag etwas übertrieben klingen, es trifft die Realität aber recht gut. Die Energiespeicher sind allgegenwärtig. 

Die hochmodernen Lithium-Ionen-Batterien – sie kommen unter anderem in Elektromobilen und in E-Bikes zum Einsatz – werden grösstenteils von asiatischen Unternehmen hergestellt. Führend sind mit Panasonic, CATL und BYD Hersteller aus Asien. Beim Umstieg vom Verbrennungsmotor auf den Elektroantrieb wäre die – eminent wichtige – europäische Automobilindustrie also auf Produkte aus Asien angewiesen.

Abhängigkeit verhindern

Die  Abhängigkeit wurde und wird auf europäischer Ebene diskutiert. Eine Befürchtung ist, dass Firmen wie Mercedes, BMW, VW, Renault, Peugeot oder Fiat für die Batteriehersteller aus Asien plötzlich nicht mehr interessant sind als Kunden. Ziel ist es deshalb, diese Schlüsseltechnologie nach Europa zu holen. Zu diesem Zweck wurde die European Battery Alliance gegründet und die EU hat die Planung eines 10-jährigen Forschungsprojektes in Auftrag gegeben. Für 2019 und 2020 sind zusätzlich bereits 200 Millionen Euro zur Verfügung gestellt worden.

An der Forschung beteiligt ist die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa in Dübendorf. Kürzlich hat man eine Zusammenarbeit zwischen der Empa und der deutschen Fraunhofer Gesellschaft bekannt gegeben. Seitens der Empa ist die Abteilung Materials for Energy Conversion von Physiker Corsin Battaglia federführend.

Battaglia und sein Team forschen an der Batterie der übernächsten Generation. Das hat seinen Grund: Die Hersteller aus Asien bauen aktuell Batteriefabriken in Ungarn und Polen auf. Weil der Transport grosser Batteriemengen nicht unproblematisch ist, wollen sie die Produktionsstätten in der Nähe der künftigen Grosskunden erstellen. Für ihre neuen Fabriken investieren die Firmen zwischen 358 Millionen und 1,63 Milliarden US-Dollar. Eine schöne Stange Geld. Und dabei muss man berücksichtigen, dass die beteiligten Unternehmen bereits über das nötige Know-how verfügen.

Für europäische Hersteller, die sich erst das Produktions-Know-how erarbeiten müssten, ist das finanzielle Risiko, in die Batterieproduktion einzusteigen, gross. Firmen wie Bosch und Siemens haben sich dazu Gedanken gemacht und die Idee wieder verworfen.

Generation überspringen

Daher der Entscheid, eine Batterie-Generation zu überspringen und sich gleich auf die übernächste Generation - die Batterie der Zukunft - zu konzentrieren. Das ist die Festkörperbatterie. Der Name rührt daher, dass Festkörperbatterien - anders als die heutigen Batterien - ohne hoch entflammbare flüssige Elektrolyte auskommen. Das bringt Vorteile betreffend Betriebssicherheit. «Wird eine Lithium-Ionen-Batterie nicht sachgerecht verwendet, kann es in Einzelfällen zu einem so genannten thermal runaway kommen. Der Vorgang verläuft explosionsartig und lässt sich kaum stoppen», sagt Battaglia zu den Risiken der heutigen Energiezellen. Verglichen mit der Anzahl der Batterien, die im Umlauf seien, sei die Zahl der Unfälle aber klein.

Für die neuartige Batterie spricht neben dem Sicherheitsaspekt die höhere Energiedichte gegenüber der Lithium-Ionen-Batterie. Trotz weniger Gewicht und Volumen würde die Festkörperbatterie die Reichweite eines Elektromobils von 500 auf rund 800 Kilometer erhöhen. Zuguterletzt spricht man von einer Ladezeit, die lediglich ein paar Minuten betragen soll. Auch das ein grosser Vorteil gegenüber den heutigen Energiezellen, die für eine Ladung rund drei Stunden benötigen.

Herausforderungen

«Die Komponenten der künftigen Festkörperbatterie kennen wir schon relativ gut», sagt Battaglia. Als Anode (Negativpol) steht metallisches Lithium im Vordergrund. Im Gegensatz zu den heutigen Lithium-Ionen-Batterien müsste das Leichtmetall aber nicht mehr in Graphit eingelagert werden. Für die Kathode (Pluspol) kann man wohl nicht gänzlich auf das Element Kobalt verzichten. Was den Elektrolyten angeht, wird momentan mit verschiedenen Stoffgruppen geforscht. Der Weg zur Supperbatterie ist also noch weit. «Bezüglich Herstellungsprozess ist noch überhaupt nichts klar», sagt Battaglia.

Eine Herausforderung ist es, dass die Komponenten in der sehr korrosiven Umgebung, die in einer Batterie herrschen, stabil bleiben. Zu vermeiden gilt es sodann das Wachstum von sogenannten Dendriten. Bilden sich die zweigartigen Auswüchse im Innern der Batterie, kann das zu einem Kurzschluss führen. Das sind nur ein paar der Probleme, die es zu lösen gilt. Fachleute gehen davon aus, dass es bis etwa 2025 dauern wird, bevor eine wettbewerbsfähige Festkörperbatterie auf den Markt kommt.

(Zürcher Regionalzeitungen)

Erstellt: 18.04.2019, 17:38 Uhr

Unerwünschte Nebenwirkungen

Die Kathode – also der Pluspol einer Batterie – setzt sich aus Nickel, Mangan und Kobalt zusammen. Die Elemente kommen in den aktuellen Lithium-Ionen-Batterien im Verhältnis von je einem Drittel vor. Problematisch ist vor allem das Kobalt. Ein Grossteil davon wird im Kongo abgebaut – gross im Business ist China, das Kobalt in grossen Minen industriell fördert.
Laut einem Bericht von Greenpeace entstehen auch Probleme beim Abbau, weil die lokale Bevölkerung häufig in kleinen Minen auf eigene Rechnung arbeitet. Dabei fehlt es oft an schützender Ausrüstung. Die Luftzirkulation in den Minen ist ungenügend und es kommt immer wieder vor, dass Teile von Minen einstürzen und Menschen verschüttet werden. Ein weiteres Problem ist, dass in den Minen Kinder als Arbeitskräfte eingesetzt werden.
Mit der nächsten Generation von Lithium-Ionen-Batterien soll sich das Verhältnis der eingesetzten Elemente in der Kathode verändern. Auf acht Teile Nickel sollen dann noch ein Teil Kobalt und ein Teil Mangan kommen. Der Wechsel geht mit einer Erhöhung der Energiedichte um rund 30 Prozent einher. Der Vorteil dieser Batterie ist es, dass die Produktionsschritte bereits etabliert sind. Man kann diese Batterien also in denselben Fabriken herstellen wie die aktuelle Generation von Lithium-Ionen-Batterien.
Auch das Lithium, das als Bestandteil der Anode – der Minuspol der Batterie – zum Einsatz kommt, ist nicht gänzlich unproblematisch. Es wird heute hauptsächlich in Südamerika – Bolivien, Chile, Peru – abgebaut. Unter Einsatz von viel Wasser wird das Element aus tieferen Schichten an die Oberfläche gespült. Dadurch wird der Grundwasserspiegel abgesenkt. Lithium liesse sich allenfalls durch Natrium ersetzen, das in der Form von Salz auch in der Schweiz abgebaut werden kann. Bei den grossen Batterieherstellern steht dies aber nicht im Vordergrund.
Egal, welche Elemente für die Herstellung von Batterien verwendet werden: Es geht immer um grössere Mengen. Aus Sicht des Empa-Forschers Corsin Battaglia lässt sich das in der Regel nicht ohne unerwünschte Nebenwirkgungen realisieren. Man versuche, der Problematik Rechnung zu tragen, indem beispielsweise die Wiederverwendung der Ressourcen eine zunehmend wichtigere Rolle spiele. (pag)

Energiedichte – das Mass der Dinge

Die Energiedichte gibt letztlich die Kapazität einer Batterie an. Je grösser die Energiedichte, desto höher beispielsweise die Reichweite eines Elektrofahrzeugs.
Am häufigsten wird die Energie pro Masse (gravimetrisch) oder die Energie pro Volumen (volumetrisch) gemessen. Die gebräuchlichsten Einheiten sind Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) oder Wattstunden pro Liter (Wh/l).
Einzelne Zellen in heutigen Lithium-Ionen-Batterien weisen eine Energiedichte von bis zu 240 Wh/kg auf. Mit der nächsten Generation – dabei handelt es sich immer noch um Batterien mit einem flüssigen Elekrolyten – kann man die Energiedichte voraussichtlich um bis zu 30 Prozent erhöhen. Das wären dann rund 300 Wh/kg. Von der Festkörperbatterie erhofft man sich zusätzlich mindestens 30 Prozent. Damit würde man eine Energiedichte von etwa 400 Wh/kg erreichen. Umgemünzt auf die Reichweite eines Elektroautos wären das 800 Kilometer statt 500. Bei gleichbleibender Reichweite wird die Batterie weniger schwer und weniger voluminös. (pag)

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