Schon bald in produktionsnahem Maßstab skalierbar?

ECO COM’BAT eröffnet neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Nachhaltigkeit von Hochvoltbatterien

Die Elektromobilität stellt hohe Anforderungen an neue Hochleistungsbatterien – Reichweite, Lebensdauer, Sicherheit oder Ladezeiten, um nur einige zu nennen. Die eigentliche Herausforderung ist der Ressourcenbedarf für eine wachsende Anzahl großer Lithium-basierter Autobatterien. Zehn Partner aus Industrie und Forschung hatten sich deshalb im EU-finanzierten Projekt ECO COM’BAT zusammengeschlossen, um eine nachhaltige nächste Generation von Hochvolt-Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln und das – wie die Presseabteilung des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC am 31.07.2019 mitteilte – mit Erfolg.

Ziel des EIT RawMaterials-Projekts ECO COM’BAT war es, umweltfreundliche und leistungsstarke Materialien für die nächste Generation von Hochvolt-Lithium-Ionen-Batterien zu kombinieren und ihre Produktion zu verbessern. ECO COM’BAT wurde vom Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC koordiniert und von April 2016 bis Dezember 2018 durchgeführt. Mit den Materialherstellern Arkema und Umicore, den Zellherstellern SAFT und Customcells, den Forschungs- und Technologieorganisationen Fraunhofer, CEA , CSIC, ENEA, VITO und der Technischen Universität Darmstadt deckten die Projektteilnehmer alle wesentlichen Aspekte entlang der Wertschöpfungskette von Batterien ab.

Einsatz kritischer Materialien reduzieren

Im Vergleich zu aktuell etablierten Batterietypen sollen die neuen Lithium-Ionen-Batterien leistungsstärker und ressourcenschonender sein.

“Die Hauptaufgabe des ECO COM’BAT-Projekts bestand darin, konventionelle, oft teure, seltene oder sogar kritische Materialien wie Kobalt in den Elektroden und Fluor im Elektrolyten zu ersetzen”, erklärt Projektkoordinator Andreas Bittner vom Fraunhofer ISC. Im Rahmen des Projekts seien ORMOCER®-beschichtetes, kobaltarmes NMC 622 und ein spezieller Hochspannungselektrolyt auf Basis des Leitsalzes Lithium-Bis(fluorsulfonyl)imid (LiFSI), das auch bei hohen Spannungen stabil betrieben werden kann, an die hohen Batterieanforderungen angepasst und optimiert worden. Dies habe zu einer Verringerung des Kobaltgehalts um ungefähr 20 Prozent und zu einer Verringerung des Fluorgehalts im Elektrolyten um zwei Drittel geführt. Energie- und Leistungsdichte hätten durch den Einsatz von strukturgebenden Additiven wie Porocarb® und Graphistrength® deutlich erhöht werden können. Die nachhaltigen Materialien seien in gängigen Pouchzellen verarbeitet worden, die eine bis zu 50 Prozent höhere Zyklenstabilität (bei 4,3 V) als die industriellen Referenzproben im Vergleichstest gezeigt hätten, erklärt Bittner.

Hochskalierung auf Pilotmaßstab

Normalerweise seien mehrere Upscaling-Schritte erforderlich, um von der experimentellen Laborebene zur Produktionstauglichkeit zu gelangen. Im Rahmen des ECO COM’BAT-Projekts hätten die Partner innovative Materialien mit bekannten Produktionseigenschaften kombiniert und hätten so mit wenigen Upscaling-Schritten eine relevante Pilotstufe für Losgrößen von bis zu 20 Kilogramm erreichen können. Zur Optimierung der ECO COM’BAT-Materialien und -Zellen sei eine umfassende Simulation der Batterieleistung und -alterung durchgeführt worden. Darüber hinaus sei ein effizientes Recyclingkonzept entwickelt und getestet worden, um wertvolle Materialien wie Nickel, Kobalt, Graphit und Lithium nicht nur elementar, sondern auch in Form der verarbeiteten Funktionsmaterialien zurückzugewinnen und so ein hohes Maß an Nachhaltigkeit zu erreichen, schildert Andreas Bittner die Vorgehensweise seines Teams.

Die guten Projektergebnisse ließen auf eine ökonomisch sehr interessante neue Generation nachhaltiger Hochvoltbatterien hoffen, so Bittner. Die verschiedenen im Projekt entwickelten und getesteten Batteriematerialien wiesen hervorragende Leistungs- und Verarbeitungseigenschaften auf. Die Materialien könnten bei entsprechender Nachfrage schnell in einen produktionsnahen Maßstab hochskaliert werden.

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