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Der Verkehrssektor zählt mit einem Anteil von 30 Prozent zu den größten CO2– Emittenten. Schuld sind herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren. Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge verursachen hingegen kaum lokale Emissionen und könnten wesentlich zur Erreichung der Klimaziele beitragen. Wäre da nicht die Herstellung der Batterien, bei der, laut einer schwedischen Studie, 61 bis 106 Kilogramm CO2 je Kilowattstunde generiert werden.

State-of-the-Art sind Lithium-Ionen-Batterien, bei denen Leichtigkeit mit einer hohen Dichte einhergeht. Dadurch kann das Metall pro Kilogramm Batteriegewicht viel Energie speichern – und mehr als andere Batteriematerialien. Da die Energiedichte gleichbedeutend mit Reichweite ist, erreichen Lithium Ionen Batterien im Vergleich zu anderen Akkus größere Reichweiten – und das bei akzeptablem Ressourcenaufwand.

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Dr. Marcus Jahn im AIT Batteriematerial-Labor (c) AIT Austrian Institute of Technology

Problematisch an Lithium Ionen Akkus sind die flüssigen Elektrolyte, die als Leitmedium zwischen dem Plus- und Minuspol beziehungsweise Anode und Kathode dienen. Bei mechanischer Einwirkung – wie Unfällen – kann diese Elektrolyt-Flüssigkeit austreten und durch Verdampfung in leicht entzündliche Gase übergehen. 

Die Festkörper- oder Solid State Batterie könnte hingegen ganz ohne flüssige Elektrolyte auskommen. Daher ist sie sicherer, erklärt Dr. Marcus Jahn, der das neugegründete Kompetenzzentrum für Batterietechnologien am AIT Austrian Institute of Technology in Wien leitet. 

Solid State Batterie

Allerdings befindet sich die Herstellungsprozesse von Solid State Batterien momentan noch im Entwicklungsstadium und es gibt in Europa erst vereinzelt Forschergruppen, die daran arbeiten. Mit dem neugegründeten Kompetenzzentrum für Batterietechnologien bringt sich das AIT in die noch junge Forschung ein. Dabei werden bestehende Forschungsaktivitäten gebündelt und mit neuen strategischen Themenfeldern kombiniert. Ziel ist es, eine Art Zukunftslabor zu schaffen, das die Batterietechnologien in Österreich und Europa voranbringt. 

Die Solid State Batterie bildet aber nur einen Fokus im 30-köpfigen Forscherteam um Jahn. Noch sei unklar, welche Batterietypen für Elektrofahrzeuge sich in Zukunft durchsetzen werden, weshalb die Grenzen des Forschungsfelds relativ weit gezogen sind – und auch die Suche nach neuen Materialien und Herstellungsverfahren umfassen. 

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Aus dem AIT Batteriematerial-Labor (c) AIT Austrian Institute of Technology

Kosten, Energiedichte, Sicherheit und Nachhaltigkeit sind Parameter, die bei allen Batterietypen und Anwendungen wichtig sind, erklärt Jahn. Wobei bei Energiedichte noch in Gewicht und Volumen zu unterscheiden sei. Aber grundsätzlich haben verschiedene Anwendungsbereiche unterschiedliche Anforderungen. Zum Beispiel seien bei Flugzeugen Gewicht und Sicherheit entscheidend, bei Personenkraftwagen hingegen die Kosten. 

Was kommt nach Lithium?

In der Entwicklung und Charakterisierung von Materialien für Batterien werden die AIT-Forscher nach Alternativen für kritische Rohstoffe suchen. Allen voran Lithium, das grundsätzlich sehr reaktionsfähig und leicht brennbar ist. Darüber hinaus sind Lithium-Ionen-Batterien auch mit einem rapiden Alterungsprozess verbunden. Die momentane Zelltechnik ist erst in der Lage sieben bis acht Jahre für ein Batteriepack zu garantieren. Wobei Jahresangaben eigentlich obsolet sind, weil man wisse, dass das Tempo von Alterungsprozessen von der Art der Nutzung – und vor allem von Art und Menge der Lade- und Entladeprozesse abhängt. Denn Letztere verursachen Gasbildung – und chemische Reaktionen seien nie verlustfrei und verursachen Alterung, erklärt Jahn.

Als mögliche Alternativen der Zukunft gelten unter anderem Magnesium-Ionen-Batterien oder Natrium-Ionen-Batterien. Dass diese Prinzipien funktionieren und preislich attraktiv sein können, wisse man bereits. Es gebe aber noch viel Entwicklungspotenzial. 

Ähnliches gilt auch für Kobalt, den Hauptbestandteil der Elektroden, der durch alternative Materialien ersetzt werden soll.

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Pilotlinie aus der AIT Batterieforschung (c) AIT

Nachhaltige Herstellung

Im Forschungsfeld nachhaltige und intelligente Herstellung von Batterien beschäftigen sich die Forscher vom AIT vor allem mit Methoden der industriellen Fertigung von Batterien für Elektrofahrzeuge. In den vergangenen Jahren wurde dazu eine hochwertige Forschungsinfrastruktur aufgebaut, inklusive industrienaher Prototypenfertigung, in der alle Prozesse intensiv untersucht und weiterentwickelt werden können. Ein zentraler Schwerpunkt ist die nachhaltige Produktion, in der man beispielsweise umweltschädliche Lösemittel durch unbedenkliche Substanzen ersetzen will. 

Eine Batterie besteht im wesentlichen aus Elektroden, Kathoden und Anoden. Momentan werden Elektroden in Pastenform auf Kathoden und Anoden aufgebracht. Diese Pasten enthalten traditionell kritische Lösungsmittel – auch wenn man Dämpfe beseitigt habe. Die ideale Batterie der Zukunft soll jedoch aus trockenen Elektroden bestehen und dadurch lösemittelfrei sein. Bei Anoden sei das schon geglückt, bei Kathoden bestehe noch Verbesserungsbedarf, so Jahn und weiter: „Erst dann, wenn lösemittelfrei, mit geringem Energieaufwand und mit nachhaltigen Materialien produziert wird, ist es eine grüne Batterie.“

Pasten

Dass die Festkörper-Batterie im Unterschied zur konventionellen Lithium–Ionen-Batterie ungleich sicherer ist, liegt daran, dass sie ganz ohne flüssige Elektrolyte auskommt. Darüber hinaus erwartet man sich von dieser aber auch größere Reichweiten, weil feste Elektrolyte potenziell über eine höhere Energiedichte verfügen.

Geeignete Materialien für feste Elektrolyte sind schon bekannt und haben jeweils Vor- und Nachteile. Am AIT will man sich unter anderem auf Polymere, Keramiken und Gläser oder Sulfid-basierte Substanzen konzentrieren. Aufbauend auf diesem Materialwissen müssen völlig neue Herstellungsverfahren entwickelt werden. Denn, anders als bei Lithium Ionen Batterien, sind die Produktionsabläufe bei Solid State Batteriennoch nicht standardisiert und die Reproduzierbarkeit noch nicht gegeben. „Um diese Systeme besser zu verstehen, müssen noch grundlegende Fragen beantwortet werden“, erläutert Jahn.

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AIT Trockenraum (c) AIT Austrian Institute of Technologie

Übergangstechnologie

Als Übergangstechnologie gelten Semi Solid Batterien, bei denen ein Hybridansatz verfolgt wird. Dabei wird eine gelartige Substanz eingesetzt. Dieser wird noch etwas Flüssigkeit beigegeben, die aufgesaugt wird. Dadurch ist der Elektrolyt nicht flüssig, kann folglich nicht austreten – und die Sicherheit ist gewährleistet. Die ideale Batterie der Zukunft soll jedoch aus einem Festkörper bestehen, weil nur dann die hohe Energiedichte gegeben ist, erklärt Jahn.  

Für alle Forschungsbereiche im neuen Batterietechnologie Kompetenzzentrum des AIT werden Lebenszyklusanalysen durchgeführt. Diese umfassen die gesamte Prozesskette von den Rohstoffen über die Herstellung und die Benutzung bis hin zum Nutzungsende und dem Einsatz von recycelten Materialien. 

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