Forschung für leichte und sichere Lithium-Ionen-Batterien für Luftfahrt gestartet

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Ende vergangenen Jahres startete am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) ein Projekt, was den Weg für elektrisches Fliegen ebnen soll. Dem Forschungskonsortium gehören drei weitere Industrieunternehmen an: der Materialhersteller Johnson Matthey Battery Materials GmbH, das Maschinenbauunternehmen Coperion GmbH und der Zellhersteller Varta AG. Letztere koordiniert das vom Bundesforschungsministerium bis Ende Oktober 2024 mit 1,6 Millionen Euro geförderte Projekt.

Es geht um die Entwicklung von leichten und sicheren Lithium-Ionen-Batterien, die künftig unter anderem in der Luftfahrt oder auch für andere mobile Anwendungen eingesetzt werden könnten. Die kostengünstigen Hochenergiebatterien sollten zudem möglich nur ressourcenschonende und umweltverträgliche Materialen enthalten. In dem Vorhaben sollen dazu neue Aktivmaterialien mit hoher spezifischer Energie und Sicherheit entwickelt werden sowie die Prozesse, um sie zu Batterieelektroden zu verarbeiten, wie das ZSW erklärte. Kritische und teure Materialien sollen substituiert werden, wobei sowohl Anode als auch Kathode wässrig prozessiert werden und ohne die schädlichen Lösungsmittel NMP auskommen. Die Forschungsergebnisse würden dann für die industrietaugliche Herstellung von Rundzellen genutzt.

„Ein wichtiges Projektziel wird sein, kobaltfreie Kathodenmaterialien durch die Entwicklung geeigneter Prozessbedingungen in zukünftigen Batterien zum Einsatz zu bringen“, erklärte Markus Hölzle, ZSW-Vorstandsmitglied und Leiter des Geschäftsbereichs Elektrochemische Energietechnologien in Ulm. „Auf der Anodenseite soll durch den Einsatz von Siliziumoxid der Energieinhalt deutlich erhöht werden. Neu ist auch, dass die Herstellung beider Elektroden wasserbasiert erfolgt, also ohne die Nutzung der heute üblichen, toxischen Lösungsmittel.“

Mittels einer bereits verfügbaren Zellchemie solle zudem die spezifische Energie der Batteriezellen um bis zu 20 Prozent erhöht werden. Gerechnet auf den Energiegehalt würde dies das Gewicht der Batterien deutlich verringern. Vier Maßnahmen hat das Konsortium vorgesehen, um dies zu erreichen. Erstens sei die Verwendung des intrinsisch sicheren Lithium-Mangan-Eisenphosphats (LMFP) an Stelle des etablierten Lithium-Eisenphosphats (LFP) als Kathodenmaterial geplant. Beide Materialien kämen ohne die kritischen Rohstoffe Nickel und Kobalt aus, allerdings sei der Energiegehalt mit LMFP höher. Darauf aufbauend soll die Flächenkapazität um 40 Prozent gegenüber einer LFP-Kathode erhöht werden. Die dritte Maßnahme sei, auf der Anodenseite das stetig knapper und teurer werdende Graphit durch das reichlich verfügbare Siliziumoxid (SiOx) zu ersetzen. Weil der Energieinhalt von SiOx deutlich höher ist als der von Graphit, kann man hiermit Gewicht und Volumen der Batterien einsparen, wie es vom ZSW hieß. Dazu soll das zur Beschichtung der Elektroden bisher fast ausschließlich verwendete, gefährliche Lösungsmittel NMP durch Wasser substituiert werden.

Die Weiterentwicklung der Technologie müsse dann in industrietaugliche Prozesse übersetzt werden. Dazu würden in dem Projekt die Anforderungen für die Herstellung der hochkapazitiven Anoden und Kathoden beim Mischen, Beschichten, Trocknen und Kalandrieren untersucht werden. Dazu werde unter anderem die Verfahrenstechnik der Extrusion als innovative, hocheffiziente Möglichkeit des kontinuierlichen Prozessierens erforscht. Auf dieses Basis sollen am Ende dicke Elektroden wasserbasiert in einem industrierelevanten Rolle-zu-Rolle-Prozess herstellbar und für die Verwendung in Rundzellen wickelbar sein.

Am ZSW in Ulm könnten die Prozesse auf einer eigenen Pilotlinie dann bei der Herstellung kleiner Laborbatterien erprobt und validiert werden. Parallel werden die Ergebnisse in die Produktion von gewickelten Knopfzellen und 21700-Rundzellen bei Varta einfließen.

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