Ökologisch und ökonomisch hergestellte Lithium-Ionen-Batterien für „Batterie 2020“

Das Projekt Oekobat-2020 strebt eine deutliche Verbesserung von High-Energy-Lithium-Ionen-Zellen in Performance, Kosten und Umweltfreundlichkeit an.

Im Hinblick auf das Klimaziel der Bundesregierung, bis zum Jahr 2020 den Kohlendioxid-Ausstoß um mindestens 40 Prozent gegenüber 1990 zu reduzieren, kann der Einsatz von Elektrofahrzeugen einen wesentlichen Beitrag leisten. Dazu müssen die Batteriezellen bestimmte Eigenschaften erfüllen. Um eine große Reichweite zu erzielen, ist eine hohe Energiedichte der Zellen erforderlich. Da Fahrzeuge unterschiedlichen klimatischen Bedingungen ausgesetzt sind, wird außerdem eine gute Performance bei tiefen Temperaturen benötigt. Weitere Voraussetzungen zur Akzeptanz in der automobilen Anwendung sind hinnehmbare Ladezeiten sowie eine hohe Lebensdauer und Sicherheit. Alle diese Eigenschaften werden von aktuellen Batteriezellen nicht hinreichend erfüllt. Es werden neue Materialkonzepte auf der Basis bewährter Systeme, die trotzdem bereits kurz vor der Umsetzbarkeit stehen, benötigt. Ein Ziel des Teilprojekts „Erforschung neuer Batteriematerialien in Zellen“ besteht darin, solche Materialkonzepte zu erarbeiten.

Die Vermeidung teurer und umweltrelevanter Materialien erfordert den Einsatz alternativer Materialien. Unterschiedliche Materialien stellen jedoch unterschiedliche Anforderungen an den Herstellungsprozess. In diesem Teilprojekt werden dazu Konzepte erarbeitet, in einen industrienahen Maßstab skaliert und im technologierelevanten Zellformat PHEV1 auf der Forschungsproduktionsanlage des ZSW demonstriert.

Ein zusätzlicher ökonomischer und ökologischer Impuls soll durch die Erforschung der Weiterverwendbarkeit benutzter PHEV1-Zellen als stationäre Speicher erarbeitet werden.

Ausgehend von einem Elektrodensystem mit hoher Energiedichte wird die Verbesserung weiterer Eigenschaften durch den Einsatz modifizierter Materialien erforscht.

Hier wird insbesondere auf der Kathoden-Seite gezielt die Vermischung mehrerer Materialien zu sogenannten Blends untersucht. Durch das Vermischen sollen sich die positiven Eigenschaften der reinen Materialien ergänzen. Mit Blends aus Schichtoxiden mit hoher Energiedichte und Olivinen (LiMPO4 M = Fe/Mn) von Johnsson Matthey, die eine schnelle Kinetik aufweisen, soll eine Erhöhung der Strombelastbarkeit bei gleichbleibender Energiedichte erreicht werden. Außerdem soll der Anteil des bedenklichen Cobalts in der Kathode reduziert werden. Unterschiedliche Materialien stellen jedoch unterschiedliche Anforderungen an den Herstellungsprozess und sind in verschiedenen Potentialbereichen aktiv. Um die Möglichkeiten neuartiger Materialkombinationen umfassend zu verstehen, werden Rezepturen, Herstellungsprozesse, Elektrodenparameter und Betriebsparameter untersucht.

Wasserbasierte Herstellungsprozesse werden erforscht, in denen auf die Verwendung des bedenklichen Lösemittels N-Methylpyrrolidon (NMP) verzichtet wird. Mit darauf angepassten Anoden-Materialien von SGL sollen deutliche Verbesserungen in den Bereichen Ladekinetik, Verdichtungsverhalten sowie Lebensdauer und Zyklenstabilität erzielt werden. Hierzu werden am ZSW Rezepturen, Elektrodenauslegungen und Prozessparameter erforscht.

Schließlich werden die Elektrodenbalancierung und der Einfluss der Betriebsparameter auf die Performance in Vollzellen untersucht. Aus den neuen Materialien – auch neuen Separatoren von Freudenberg – werden Vollzellen in den Formaten Pouch und 18650 hergestellt. Vorteilhafte Materialkonzepte werden in größere Muster im PHEV1-Format auf der Forschungsproduktionslinie (FPL) des ZSW verbaut. Die Muster werden in Performance- und Sicherheitstests geprüft und bei Varta Storage zur Erforschung eines Second-Life-Konzepts verwendet.

Ein wichtiger Aspekt dieses Projekts ist die klare Ausrichtung auf ein Upscaling zu einer großen und wirtschaftlichen Produktion von LIB in Deutschland. Die Entwicklung aller Materialien und Prozesse wird auf eine wirtschaftlich wettbewerbsfähige Umsetzbarkeit im industrierelevanten Produktionsmaßstab ausgerichtet. Alle Materialien und Prozesse werden daran gemessen, ob sie in einer solchen großen Produktion verwendet werden können. Am ZSW wird hierzu das erarbeitete Konzept auf der bestehenden „Forschungsproduktionsanlage“ FPL demonstriert. Hier werden prismatischer Zellen in der Baugröße PHEV1 unter industrienahen Bedingungen hergestellt.

Wenn die Ziele des Projekts realisiert werden können, sind High-Energy-Zellen mit verbesserter Kinetik, verbessertem Tieftemperaturverhalten, erhöhter Sicherheit und Lebensdauer sowie geringeren Kosten und deutlich verbesserter Ökobilanz für die Anwendung in Elektrofahrzeugen sowie in stationären Speichern (Second Life) zu erwarten. Die Demonstration derartiger Zellen im Format PHEV1 sowie der beabsichtigte Nachweis der Wirtschaftlichkeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette würde die Bestrebungen zur zeitnahen Umsetzung der Elektromobilität am Standort Deutschland unterstützen. Die Demonstration der Zellen im Second Life erhöht das Vertrauen der Industrie in die Wirtschaftlichkeit einer solchen Zellproduktion.

Einerseits kann sich das ZSW mit diesem Projekt als kompetenter Partner für Kooperationen zu Themen im Bereich Zellentwicklung und -produktion zeigen. Andererseits kann die Demonstration eines vorteilhaften Produkts und dessen Herstellungsprozesses einen Motivationsschub für die bisher fehlende Massenproduktion von Lithium-Ionen-Zellen in Deutschland auslösen.