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Batterien

Moderne Batterien – Viskosität der Elektrolyte ist entscheidend

| Autor / Redakteur: Jelena Fischer* und Hermine Knapp* / Marc Platthaus

Abb. 1: Bei Varta Micro Innovation wird anwendungsorientierte Forschung im Bereich der Batterietechnologie betrieben.
Abb. 1: Bei Varta Micro Innovation wird anwendungsorientierte Forschung im Bereich der Batterietechnologie betrieben. (Bild: Varta Micro Innovation)

Die Varta-Gruppe gehört zu den renommiertesten Herstellern anspruchsvoller Batterielösungen. Bei der Qualifizierung und Optimierung neuer Elektrolyte untersuchten Forscher die Abhängigkeit der Viskosität des Elektrolyten von der Temperatur.

In der Batterieforschung geht es derzeit darum, Batterien mit möglichst hoher Energiedichte zu entwickeln. „Je mehr Energie auf kleinem Raum, desto besser“, bestätigt Dr. Stefan Koller, der Geschäftsführer der Varta Micro Innovation, diesen Trend. „Außerdem sollen die Lade- und Entladezeiten von Akkus möglichst kurz, ihre Lebensdauer möglichst lang und ihre Energieeffizienz möglichst hoch sein. Die Batteriehersteller stehen vor massiven Herausforderungen, um wettbewerbsfähig zu sein und gerade im Automotive-Bereich gibt es einen enormen Kostendruck“, so Koller zur momentanen Marktsituation.

Die Varta Micro Innovation ist eine gemeinsame Tochtergesellschaft des Unternehmens Varta Microbattery und der Technischen Universität Graz und betreibt anwendungsorientierte Forschung im Bereich der Batterietechnologie. Dadurch werden das Know-how eines Batterieherstellers, der zu den ältesten und innovativsten seiner Art gehört, mit der Expertise der TU Graz, einer jener Institutionen, die in der elektrochemischen Grundlagenforschung europaweit führend sind, in einzigartiger Weise vereint. „Diese Kooperation schafft nicht nur einen Brückenschlag zwischen der universitären Forschung und der Anwendung“, freut sich Koller, „sondern ermöglicht auch einen raschen Transfer unserer neu entwickelten Technologien in marktreife Produkte.“

Das Hauptaugenmerk der Varta Micro Innovation liegt auf der Erforschung neuartiger Anodenmaterialien für klassische Lithium-Ionen-Batterien, deren Ziel ein teilweiser Ersatz des bestehenden Speichermaterials Graphit durch Silizium ist. „Da Silizium eine rund zehnmal höhere Lithium-Ionen-Speicherfähigkeit als bislang kommerziell verwendetes Graphit aufweist, kann das neue Material bei unveränderter Lebensdauer mehr als die doppelte Menge Lithium-Ionen speichern“, erklärt Koller, der an der Entwicklung dieses neuen Verfahrens maßgeblich beteiligt war.

Verbesserte Elektrolyte für leistungsfähigere Batterien

Die Innovationskraft von Varta Micro Innovation zeigt sich aber auch im Bereich der Elektrolytforschung, einer wesentlichen Komponente in der Verbesserung von Batterietechnologien. Man griff das bereits vorhandene Wissen, dass die Beweglichkeit der Lithium-Ionen stark von der Viskosität des Elektrolyten abhängt, wieder auf und beschäftigte sich eingehend mit diesem für die Entwicklung von Elektrolyten wichtigen Parameter. Den Hauptgrund, warum der Viskosität nicht schon früher mehr Aufmerksamkeit geschenkt wurde, sieht Koller u.a. darin, dass es keine geeigneten Messgeräte auf dem Markt gab und die Analysen sehr aufwändig und kostspielig waren. „Durch das Leitsalz bringt man sehr aggressive Chemikalien in die Elektrolyten ein. Die wenigsten Probengefäße sind inert genug, um durch Flusssäure nicht angegriffen zu werden. Die Tieftemperatur ist eine weitere Thematik, die in den letzten Jahren speziell im Automotive-Bereich in den Fokus gerückt ist. Wir müssen die Viskosität bei -20 °C – optimalerweise bei noch tieferen Temperaturen – bestimmen können.“

Mit dem Kugelrollviskosimeter Lovis 2000 M bietet der Messtechnikspezialist und langjährige Varta-Partner Anton Paar das ideale Instrument, um die komplexen Messanforderungen bei der Elektrolytqualifizierung abzudecken. Eine mit Anton Paar entwickelte PCTFE-Kapillare ist gegenüber Chemikalien wie z.B. Lithiumhexaflurophosphat und sogar Flusssäure sehr beständig und kann in einem weiten Temperaturbereich eingesetzt werden. Das Lovis 2000 M ist auch mit einem speziellen Tieftemperaturmesszellenblock ausgestattet, der Viskositätsmessungen auch bei bis zu -30 °C möglich macht. Ein weiterer Vorteil: Das Lovis benötigt die minimale Probenmenge von nur 100 µL, das ist genau die Elektrolytmenge, die das Varta-Forschungsteam für die Produktion einer kleinen Prototypenzelle benötigt. „Wir haben ein extrem engmaschiges Forschungscontrolling. Wenn ein Elektrolyt nicht zum adäquaten Preis hergestellt werden kann, stellen wir ein Projekt rigoros ein“, so Koller, für den die Viskositätsmessung auch aus wirtschaftlicher Sicht Sinn macht.

Die Zukunft: Leistungsfähige Lithium-Ionen-Zellen

In der Viskositätsmessung hat Varta Micro Innovation ein aussagekräftiges und zusätzliches Kontrollinstrument gefunden, das die Elektrolytforschung in Zukunft schneller, effizienter und auch kostengünstiger machen wird. Diesen ersten Erkenntnissen werden genauere Untersuchungen zur Frage, wie die Viskosität und Leistungsfähigkeit einer Lithium-Ionen-Zelle genau zusammenhängen, folgen.

* Dr. J. Fischer und H. Knapp: Anton Paar GmbH, 8054 Graz/Österreich

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