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Batterieforschung Wie Kohlenstoff Lithium-Ionen-Batterien nachhaltiger machen kann

Redakteur: Alexander Stark

Damit Lithium-Ionen-Batterien leistungsfähig sind, benötigen sie spezielle Funktionsmaterialien wie leitfähige Additive. Zusätze wie Leitruß oder Kohlenstoff-Nanoröhren sind auch ein entscheidender Baustein für die Umweltverträglichkeit der Batterien. Das Verbundprojekt HiQ-Carb zielt darauf ab, neue Kohlenstoffe mit einer überlegenen Leistung und einem geringen CO2-Fußabdruck für grüne Batterien bereitzustellen.

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Carbon Black wird in der Regel mit hohem Energie- und Prozessmaterialaufwand hergestellt. HiQ-Carb wird deshalb Standart-Leitruß durch neuen und viel grüneren hochwertigen Acetylenruß ersetzen.
Carbon Black wird in der Regel mit hohem Energie- und Prozessmaterialaufwand hergestellt. HiQ-Carb wird deshalb Standart-Leitruß durch neuen und viel grüneren hochwertigen Acetylenruß ersetzen.
(Bild: Orion Engineered Carbons)

Würzburg – Li-Ionen-Batterien sind eine Schlüsseltechnologie für zukunftsweisende europäische Industrien wie Elektrofahrzeuge, tragbare elektronische Geräte oder eine Vielzahl anderer Anwendungen, bei denen Energie möglichst aus erneuerbaren Ressourcen gespeichert und bereitgestellt wird. Große Teile der europäischen Industrie, darunter auch die europäische Automobilindustrie, sind zunehmend auf importierte Lithium-Ionen-Zellen angewiesen. Der europäische Green Deal und verschiedene unterstützende Maßnahmen zielen darauf ab, das Beschäftigungs-, Wachstums- und Investitionspotenzial von Batterien zu nutzen. Es soll eine wettbewerbsfähige Wertschöpfungskette „Batterie“ in Europa geschaffen werden - nicht zuletzt, um Batterietechnologien umweltfreundlicher und „grüner“ zu machen.

Kohlenstoff verbessert Kathoden-Leitfähigkeit

Kohlenstoff spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der elektronischen Leitfähigkeit von Batteriekathoden und ist daher für das Erreichen schneller Lade- und Entladeraten unerlässlich. Im wachsenden Batteriemarkt machen die Rohstoffe den größten Teil der Kosten in der Produktion aus. „Um die wachsende europäische Batterieindustrie nachhaltig mit hochwertigen Leitadditiven versorgen zu können, müssen CO2- und ressourceneffiziente Kohlenstoffmaterialien geschaffen, validiert und in ausreichender Menge in Europa wirtschaftlich produziert werden“, erklärt Projektkoordinator Dr. Andreas Bittner vom Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC. Das ist es, was HiQ-Carb erreichen will.

Elektrodenstapel für die Zellfertigung
Elektrodenstapel für die Zellfertigung
(Bild: Fraunhofer ISC)

Das Projektteam von setzt zum einen auf sehr profilierte Unternehmen wie Arkema oder Orion für die Herstellung von fortschrittlichen Additiven und Customcells für die Batteriezellproduktion. Auf der anderen Seite sind namhafte FuE-Partner wie das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC, die Aalto-Universität und die Universität Bordeaux für den wissenschaftlichen Teil der Evaluierung und Erprobung der neuen Materialkombinationen selbst und der daraus hergestellten Batteriezellen beteiligt.

Kombination von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Ruß

Der HiQ-Carb-Ansatz für fortschrittliche Kohlenstoff-Additive ist die Kombination von dünnen Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Acetylen-Black-Partikeln (Acetylenruß), die mit hoher Leitfähigkeit und geringer CO2-Emission bei der Herstellung punkten. In Kombination bilden sie ein nahezu ideal leitendes Netzwerk innerhalb der Batterieelektrode. Ziel des Projektes ist der Aufbau einer Produktion dieser Spezialmaterialien im Tonnen- und Megatonnenmaßstab sowie ein effizienter Prozess für die Kathodenherstellung im Pilotmaßstab. Für ein effektives Qualitätsmanagement während der Produktion müssen entsprechende Prüfvorschriften und Routinen für die Qualifizierung und Qualitätssicherung entwickelt und etabliert werden.

Darüber hinaus wird das Projekt-Team Wissens- und Lernmodule zur Verfügung stellen, um die Ausbildung zukünftiger Experten für die Lithiumbatterie-Wertschöpfungskette und Beteiligungsmöglichkeiten für Industrie und Forschung gemäß den Bildungsempfehlungen von EIT RawMaterials zu unterstützen.

Wie Kohlenstoffe „grüner“ werden

Carbon Black (Kohlenstoff, hier speziell Leitruß) wird in der Regel mit hohem Energie- und Prozessmaterialaufwand hergestellt. HiQ-Carb wird Standard-Leitruß durch neuen und viel grüneren hochwertigen Acetylenruß ersetzen. Dies trägt erheblich zur Verbesserung der Umweltbilanz bei, z.B. durch die Reduzierung des CO2-Fußabdrucks der Materialherstellung. Darüber hinaus werden die bereits kommerzialisierten Standard-Kohlenstoff-Nanoröhren (carbon nanotubes – CNT) durch neue, noch viel dünnere CNT ersetzt. Dies führt zu einer geringeren Menge an Kohlenstoffmaterialien für die gleiche oder sogar bessere Batterieleistung und führt zu einer verbesserten Ressourceneffizienz. Darüber hinaus ist dies das einzige CNT Material weltweit, das aus einem erneuerbaren Bioethanol-Rohstoff hergestellt wird. Darüber hinaus wird im Rahmen des Projekts eine Lebenszyklusanalyse durchgeführt, um die Nachhaltigkeit des Produktionsprozesses zu bewerten.

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