Effiziente Hochvolt-Batterien

Für die schnelle Umsetzung der Elektromobilität in Europa ist die Reichweite eine der grössten Herausforderungen. Im europäischen Projekt Eco Combat entwickeln deshalb unter der Koordination der Fraunhofer-Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC zehn Partner aus Industrie und Forschung die nächste Generation der Lithium-Ionen-Batterien – die Hochvoltbatterie.

Ziel des Projekts Eco Combat (»Ecological Composites for High-Efficient Li-Ion Batteries«) ist die Herstellung einer Hochvoltbatterie, die u.a. die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöht, ein schnelles Laden von Geräten erlaubt und dabei stabiler, leichter und langlebiger sein soll. Darüber hinaus sollen kritische oder wertvolle Rohstoffe, die üblicherweise in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, ersetzt werden.

Um dies zu erreichen, werden innovative Materialien verwendet: kobaltarmes Lithium-Nickel- Mangan-Kobalt-Oxid – sogenanntes NMC – dient als aktives Material der Elektrode und liefert die erforderliche hohe Energiedichte bei rund 20% weniger Kobalt als üblich. Als Leitadditiv dient eine Kombination aus Carbon-Nanotubes und porösem Kohlenstoff. Sie verbessert die elektrische Leitfähigkeit der Elektroden und ermöglicht hohe Energiedichten. Als Elektrolyt wird ein spezieller Hochvoltelektrolyt basierend auf dem Leitsalz Lithium-Bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) eingesetzt, der auch bei hohen Spannungen stabil betrieben werden kann. Eine ionenleitfähige Beschichtung aus besonderen Hybridpolymeren schützt die Elektrolytmaterialien und sorgt für hohe Sicherheit, Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer der Batterie.

Eine erste Aufgabe des Projekts ist die Hochskalierung der Produktionsprozesse, um die Batteriematerialien im grossen Massstab herstellen zu können. Im nächsten Schritt wird dann die eigentliche Zellproduktion für den industrienahen Pilotmassstab bis hin zum Produktionsmassstab hochskaliert. Dabei werden automobile Standardanforderungen ebenso wie energie- und kostengünstige Produktionsmethoden berücksichtigt.

Das Bild oben zeigt eine effiziente Lithium-Ionen-Pouchzelle mit ihren Ausgangsmaterialien. Bild: K. Selsam-Geissler, Fraunhofer ISC