Öl oder Gold nehmen auf dem Rohstoffweltmarkt schon sein einiger Zeit nicht mehr die Spitzenposition ein. Dank Handys, Notebooks, Tablets und Elektroautos ist Lithium, das in Massen für die Lithium-Ionen-Akkus gebraucht wird, zu einem der begehrtesten Rohstoffe geworden. Nach Schätzungen der Deutschen Rohstoffagentur wird der Bedarf weiter steigen und sich bis zum Jahr 2025 sogar verdoppeln. Abgebaut wird Lithium zum großen Teil in Südamerika. Dabei ist Chile dank der Vorkommnisse am Atacama-Salzsee einer der Hauptlieferanten.

Produziert werden rund 90 Prozent der Lithium-Ionen-Zellen aktuell allerdings in Asien, künftig soll aber auch die Produktion in Europa angekurbelt werden. Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts Si-DRIVE forschen das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Helmholtz-Institut Ulm (HIU) mit ihren Partnern einer neuen Zelle. Diese soll aus einer nanostrukturierten Silizium-Anode, einem neuartigen Festelektrolyten, das auf ionischen Flüssigkeiten basiert, und einer komplett kobaltfreien, aber lithiumreichen Kathode bestehen.

Die Forscher wollen durch ein derartiges Zellkonzept, das auf ökologisch und ökonomisch unkritischen Materialien basiert, ein umfassendes Recyclingprogramm und eine nachhaltige Batterieproduktion ermöglichen. So gilt Kobalt beispielsweise als sogenannter „kritischer Rohstoff“, da die Ressourcen nicht nur sehr begrenzt sind, sondern auch geopolitisch schwer zugänglich, wodurch die Versorgung nicht immer in ausreichender Menge gewährleistest ist. Darüber hinaus wird es hauptsächlich in der Demokratischen Republik Kongo abgebaut, teilweise durch Kinderarbeit und unter menschenunwürdigen Bedingungen.

Lithium

Forscherinnen und Forscher prüfen die Zyklenstabilität der verbesserten Lithium-Ionen-Zelle. (Foto: © Amadeus Bramsiepe, KIT)

Verzicht auf Kobalt

„Das Besondere an dem Projekt ist, dass wir im Verbund von der Materialentwicklung über Prototypzellenfabrikation bis hin zum Recycling alle Schritte der Wertschöpfungskette einer Batterie abdecken“, erklärt Professor Stefano Passerini, Direktor des HIU. Seine Forschungsgruppe entwickelt das neuartige, kobaltfreie Kathodenmaterial mit unkritischen Elementen wie Eisen oder Aluminium. „Gleichzeitig wollen wir den Lithiumgehalt in der Schichtoxid-Kathode gegenüber den herkömmlichen Materialien signifikant erhöhen, um eine deutliche Steigerung der Energiedichte zu erzielen“, so Passerini.

Ziel der Forscher ist am Ende eine eine Recyclingrate von über 50 Prozent. Um die zu erreichen, folgen auch Anoden- und Elektrolytkonzept dem Nachhaltigkeitsgedanken. „Dabei werden die Nanostrukturen der Anode so designt, dass eine lange Zyklenstabilität durch eine ideale Geometrie mit hohen Massenbeladungen ermöglicht werden kann“, heißt es beim KIT. „Die Struktur der Anode wird durch Modellierung dahingehend optimiert, dass Volumenausdehnung und mechanische Deformation bestmöglich abgepuffert werden und gleichzeitig eine maximale Energiedichte aufrechterhalten werden kann. Der neuentwickelte Festelektrolyt basiert auf ionischen Flüssigkeiten, die für mehr Stabilität bei hohen Spannungen, höchste Sicherheit und niedrige Entflammbarkeit sorgen.“

Lithium

Im EU-Projekt Si-DRIVE arbeiten 17 Einrichtungen aus Wissenschaft und Industrie aus acht Ländern zusammen (Grafik: © Si-DRIVE)

Von der Produktion bis zum Recycling

Darüber hinaus werden sich fünf an dem Projekt beteiligte Partner auch mit dem Konzept einer Kreislaufwirtschaft beschäftigen, um weitere Anwendungsbereiche zu finden. Möglich wären hier zum Beispiel „altersschwache“ Batterien von Elektroautos, die man zusammengelegt als stationäre Speicher verwenden kann.

Der Plan für eine Produktion der Batterien in Europa soll bis 2030 spruchreif sein. Die Europäische Union (EU) fördert das Projekt mit acht Millionen Euro bei einer Laufzeit von vier Jahren.

An dem europäischen Rahmenprogramm für Forschung und Innovation Horizon 2020 sind insgesamt 17 Einrichtungen aus Wissenschaft und Industrie aus acht Ländern beteiligt. Mit den Forschungsgruppen von Professor Arnulf Latz vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie von Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) sind zwei weitere Partner des HIU involviert.

Titelbild: © Pixabay

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