Forscher arbeiten weltweit an vielen Variationen und Weiterentwicklungen der Lithium-Ionen-Batterien, die aktuell entweder schon im Markt sind oder dort bald sein könnten. Dazu gehören vor allem das Lithium-Eisenphosphat als bereits seit Langem angebotene Technologie oder auch Natrium-Ionen-Batterien. „Dabei wird in erster Näherung das Lithium durch Natrium ersetzt. Das kann unabhängiger von den hohen Preisschwankungen des Lithiums machen“, erläutert Batterieforscher Dirk Uwe Sauer. Er ist Professor für elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik an der RWTH Aachen.
Feststoffakkus oder Lithium-Schwefel-Batterien
Für mobile Anwendungen werden auch Lithium-basierte Batterien mit Festkörperelektrolyten entwickelt, wie in der nun entstehenden Gigawattfabrik von SCB in der Schweiz. Diese Akkus können höhere Energiedichten und gegebenenfalls auch eine höhere Sicherheit liefern. „Bis es zu kommerziellen Produkten mit diesen Batterien kommt, die gegenüber Lithium-Ionen-Batterien auch wirtschaftlich wettbewerbsfähig sind, wird es aber noch einige Jahre dauern“, sagt Professor Sauer. Für Fluganwendungen seien Lithium-Schwefel-Batterien interessant. Diese könnten eine höhere gewichtsbezogene Energiedichte erreichen. Das Problem für andere Anwendungen: Da ihre volumetrische Energiedichte nicht so gut und die Ladegeschwindigkeit doch begrenzt sei, werde deren Einsatz in Pkw aktuell nicht erwogen, erklärt Sauer.
Auch die Forscherkollegen an verschiedenen Fraunhofer-Instituten wie dem FEP, IWS sowie ISE und IST leisten im Gemeinschaftsprojekt Nextbatt einen Beitrag für die Entwicklung. „Für Lithium-Ionen-Batterien sind Steigerungen der Energiedichte von bis zu 65 Prozent möglich“, prognostiziert Stefan Saager, Projektleiter am Fraunhofer FEP. Dies könne durch den Ersatz herkömmlicher Graphitanoden durch Anoden auf Basis von Silizium und zukünftig auch metallischem Lithium erreicht werden.
„Mit den ressourceneffizienten Prozesstechnologien am Fraunhofer FEP gelang es uns bereits, reine metallische Lithiumschichten und auch Lithium-Silizium-Verbindungsschichten in produktionsrelevanten Maßstäben herzustellen“, erläutert Saager. Üblicherweise werden Lithiumschichten in Form von dünnen Folien durch Walzprozesse gefertigt, die auch das Verwenden von Schmiermitteln nötig machen.
Lithiumschichten durch thermisches Aufdampfen
Am Fraunhofer FEP jedoch werden die Lithiumschichten durch thermisches Aufdampfen im Vakuum ohne verunreinigende Zusätze in einer Dicke von einem bis 20 Mikrometern hergestellt. Dadurch könnten reine und vor allem dünne metallische Lithiumschichten in reproduzierbarer Weise erzeugt werden.
Bei diesem Prozess wird Lithiumgranulat ins Vakuum überführt, in einen Tiegel gefüllt und anschließend auf Temperaturen von bis zu 700 Grad Celsius erwärmt. Das Lithium wird aufgeschmolzen und schließlich verdampft. Ähnlich wie sich Wasser an Deckeln von Kochtöpfen sammelt, wird der sich ausbreitende Lithiumdampf auf einem Substrat abgeschieden. Dieses Substrat wird dazu in kontrollierter Weise über die Lithiumdampfquelle bewegt, sodass darauf eine Lithiumschicht mit vorgegebener Dicke kondensiert. Ein Vorteil der Technologie sei es, dass mit dem Aufdampfverfahren auch Verbindungsschichten mit anderen Materialien, wie Silizium, erzeugt werden.
Vielversprechende Kombinationen
Dazu wird eine weitere Dampfquelle mit einem anderen Ausgangsstoff daneben installiert. So seien vielversprechende Materialkombinationen realisierbar, die auf andere Weise nicht zu erzeugen wären, beschreibt Saager. Zudem könne man mit diesem Verfahren hohe Beschichtungsraten erzielen – das sei ein wichtiges Kriterium, um die Technologie in eine Massenproduktion zu überführen und zu einer Kostensenkung beizutragen.
Die Fraunhofer-Institute stehen bereits mit verschiedenen Partnern aus Forschung und Industrie in Kontakt. Die Wissenschaftler schätzen, dass bei einer Intensivierung der Aktivitäten die Beschichtungstechnologie innerhalb der nächsten fünf Jahre Einzug in die Produktion von Batterien der nächsten Generation halten könnte. Das Projekt Nextbatt ermöglicht hierfür einen entscheidenden Schritt als Wegbereiter.
Metall-Luft-Batterien wären spektakulär
Es geht eher darum, die bekannten Technologien zu entwickeln und vor allem deren Kosten zu reduzieren. „Daneben sind Langlebigkeit, Energiedichte, Schnellladefähigkeit und Sicherheit wesentliche Entwicklungsziele. Am spektakulärsten wäre ein Durchbruch bei den Metall-Luft-Batterien, allerdings sind die Probleme dabei noch so groß, dass auch nicht von erfolgversprechenden Labormustern gesprochen werden kann“, schränkt Professor Sauer von der RWTH ein.
Der Haupttreiber für Batterie-Innovationen ist eindeutig die Elektromobilität. Die Nachfrage nach Lithiumzellen wird laut dem Fraunhofer ISI bis 2030 um den Faktor 20 oder 40 steigen. Bei Stromern stehen aktuell vor allem eine schnelle Ladefähigkeit und die Senkung der Kosten im Vordergrund, wie sie auch Elon Musk immer wieder fordert, der nun sogar überlegt, ins Geschäft mit eigenen Lithiumminen einzusteigen. Sauer resümiert die Trends: „Es geht insbesondere darum, die Abhängigkeit von teuren Metallen zu reduzieren und zumindest für einen Teilbereich der Anwendungen Lithium beispielsweise durch Natrium zu ersetzen.“
Foto: Fraunhofer FEP
Swiss Clean Battery
Erste Gigafactory für reine Feststoffakkus
Die neu gegründete Firma Swiss Clean Battery (SCB) aus der Ostschweiz will ab 2024 mit einem seriell produzierten Feststoffakku den weltweiten Batteriemarkt revolutionieren. SCB ist überzeugt, Lithiumbatterieherstellern künftig Konkurrenz zu machen. Das Start-up hat als Produktionsgesellschaft die Lizenz zur Produktion der Akkus der Entwicklungsgesellschaft HPB aus Teufen in der Ostschweiz erworben.
Mit einer Produktion skalierend von 1,2 bis 7,6 Gigawattstunden will SCB ab 2024 sowohl den Schweizer als auch den internationalen Markt mit nachhaltigen Batteriespeichern bedienen. In der ersten Produktionsphase für 1,2 Gigawattstunden strebt SCB einen Umsatz von 318 Millionen Schweizer Franken an. Hierfür müssten 246 Millionen Franken in den Maschinenpark investiert werden. Das Unternehmen plant in dieser ersten Stufe mit 181 Mitarbeitern.
Weltweit arbeiten viele Forscher und Unternehmen daran, mit einem Feststoffakku als neuer Grundlagentechnologie die herkömmlichen Lithiumakkus zu ersetzen. Der von SCB produzierte Feststoffakku behalte eine nahezu konstante Leistung und die Umweltbilanz sei 50 Prozent besser als bei herkömmlichen Lithiumakkus, verspricht der Hersteller. Auch sei die Batterie nicht brennbar und enthalte keine kritischen Rohstoffe, wie beispielsweise Kobalt.
Die Vorgängertechnologie des Feststoffakkus, noch auf flüssiger Basis entwickelt, hat nach Angabe von SCB im Praxiseinsatz in den USA bereits mehr als 50.000 Ladezyklen in einem Batteriespeicher zur Pufferung für das Stromnetzt erfolgreich absolviert.
https://www.highperformancebattery.ch/de
Foto: SCB
