Neue Materialien für Batteriespeicher

Angetrieben durch die Fahrzeug­industrie und die strengeren Auflagen zur Kohlenstoffdioxid- (CO2) und Partikel­emission sind die Aktivitäten zur Elektromobilität in Deutschland in den vergangenen Jahren rasant angestiegen. Das Interesse hat dazu geführt, dass es auch von deutschen Herstellern alltagstaugliche Elektrofahrzeuge gibt, die bei dem noch überschaubaren Kreis der Nutzer viel Fahrfreude und ein gutes (Umwelt-)Gewissen erzeugen. Besonders für moderne Elektrofahrzeuge werden effiziente, sichere und kostengünstige Energiespeicher mit großer Energiedichte benötigt. Hier sind Lithium-­Ionen-Batterien kurz- und mittelfristig die klar favorisierten Speicher.

In einer klassischen Lithium-Ionen-Batterie werden Mischoxide als Kathodenmaterial und Graphit als Anodenmaterial verwendet. Ein organisches Lösemittel mit Leitsalz wird als Elektrolyt eingesetzt. Zwischen Kathode und Anode wird beim Aufbau einer Batteriezelle ein sogenannter Separator platziert, der mit Elektrolyt getränkt ist und gleichzeitig die beiden Elektroden elektrisch voneinander trennt. Der innere Mechanismus einer Lithium-­Ionen-Zelle wird auch als Rocking-Chair-Mechanismus bezeichnet. Dies begründet sich in der Tatsache, dass sich die Lithium-Ionen in die geometrischen Strukturen der Kathodenmaterialien und Graphitanode während des Ladens und Entladens ein- und auslagern, begleitet von der Triebkraft des äußeren elektrischen Stromkreises. Daraus resultiert eine hohe Stabilität über mehrere hundert Lade- und Entladezyklen. In den kommenden Jahren werden verbesserte Lithium-Ionen-Batterien auf den Markt kommen. Theoretische Abschätzungen lassen allerdings vermuten, dass die Lithium-Ionen-Technologie bezüglich der Energiedichte bald an ihre Grenzen stoßen wird.

Die Energie einer Batteriezelle ergibt sich aus der Spannung und Kapazität der verwendeten Materialien. Je höher die Spannung zwischen Anoden- und Kathodenmaterial, desto höher die zu erreichende Energie. Mit dem Standard-Graphit ist eine gewisse Grenze an Kapazität erreicht, da nicht beliebig viele Lithium-Ionen eingelagert werden können. Reines Lithium-Metall wäre gewichts- und kapazitätstechnisch als unendliches Lithium-Reservoir großartig, allerdings gibt es die bekannten Probleme der Dendritenbildung – also Metalldrahtbildung bei der Wiederabscheidung des Lithiums, welches nicht eingelagert wird wie in der geschichteten Graphitstruktur. Deshalb wird nach sichereren Alternativen neben Graphit gesucht.

Interesse an Silizium

Ein interessanter Kandidat als künftiges Anoden­material ist Silizium, das mehr Lithium-Ionen einbauen kann als Graphit und somit höhere Kapazität liefert. Problematisch ist, dass sich das Silizium beim Laden um ein Vielfaches ausdehnt, sodass mit reinen Silizium-Anoden keine stabilen Dickschichtelek­troden hergestellt werden können. Sie zerbersten einfach. Daher werden einige Prozent Silizium in die Graphitanoden eingemischt; dadurch werden Kapazität und Energie erhöht.

Ein weiterer Punkt ist die Schnellladefähigkeit von Batterien für Elektrofahrzeuge. Graphit ist nicht das Material der Wahl für ein schnelles Aufladen. Die Geschwindigkeit der Einlagerung an Lithium-Ionen ist limitiert durch gewisse Strukturen und Transportprozesse innerhalb der Zelle beziehungsweise an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elek­trolyt. Eine Schnellladung erzeugt ein höheres Maß an Alterungserscheinungen innerhalb der Zelle und erhöht das Sicherheitsrisiko im Hinblick auf interne Kurzschlüsse. Für eine Schnellladung sind titan­oxidbasierte Materialien von Interesse. Einerseits ermöglichen diese eine schnelle Einlagerung von Lithium-­Ionen, andererseits weisen sie eine geringere Energiedichte im Vergleich zu den Graphitanoden auf. Eine Frage ist, ob eine Schnell­ladefähigkeit als Alternative zur Reichweitenerhöhung denkbar ist. Eine flächendeckende Infrastruktur an Ladesäulen, in der häufig schnell geladen wird, könnte anstelle von längeren Ladezeiten stehen.

Der Bedarf an Langstrecken-Elektrofahrzeugen orientiert sich momentan an der viel zitierten Kundenakzeptanz. Möglicherweise macht ein neues Selbstverständnis des Mobilitätsverhaltens diese technologisch und ökologisch große Herausforderung künftig obsolet – oder es braucht andere Technologien. Dabei werden die Lithium-Schwefel- und Lithium-Sauerstoff-Technologie gerne genannt, die durch ihre hohen gravimetrischen Energiedichten hohe Reichweiten versprechen. Technische He­rausforderungen beim Zellbau aber auch bei der Systemauslegung relativieren die ursprünglichen Erwartungen hinsichtlich der Energiedichte auf Systemebene. Viele Fragestellungen sind dabei in der Grundlagenforschung anzusiedeln, die sich mit Art der Entladeprodukte und dem Einfluss von Nebenreaktionen beschäftigen.

Verschlankung der Zelle

Ein weiterer Aspekt setzt auf die Verschlankung der Zellen und die damit verbundene Erhöhung der volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte. Platz im Fahrzeug spielt immer eine große Rolle. Eine Verschlankung kann u. a. mit dem Ansatz der Verwendung von Festkörperelektrolyten adressiert werden. Dabei handelt es sich um eine Lithium-Ionen-Technologie, bei der kein brennbarer flüssiger Elektrolyt eingesetzt wird. Bei Festkörperbatterien ersetzen ionenleitende Festkörper den flüssigen, gelartigen und brennbaren Elektrolyten und erhöhen dadurch die Betriebssicherheit bei gleichzeitiger verbesserter hohen Zyklenzahl. Des Weiteren können durch den Wegfall von notwendigen Separatoren sowie durch die hohe elektrochemische Stabilität der Elektrolyte die Energiedichten erhöht und kompaktere Bauformen erreicht werden. Zudem könnte die Verwendung von Lithium-Metall-Anoden möglich sein. Das hinsichtlich der Bildung von Kurzschlüssen innerhalb der Zelle kritische Dendritenwachstum wird dabei durch die feste Elektrolyteinheit mechanisch unterdrückt.

Seitens der Automobilindustrie sind mit sogenannter Festkörper-Batterie ausgestattete Elektrofahrzeuge für die kommenden fünf bis zehn Jahre angekündigt. Automobilzulieferer schauen in Richtung Zellproduktion, wobei die Festkörpertechnologie ein möglicher Fokus werden kann. Hier bedarf es der Entwicklung komplett neuer Prozess- und Produktionstechniken, die etabliert werden müssen.

Neue Technologien müssen sich zudem den dramatisch sinkenden Preisen der Lithium-Ionen-­Zellen stellen. Anders als erwartet ist man dort in einem Segment gelandet, wo es nicht mehr rein um Technologievorteile geht, sondern auch um Kosten und Wirtschaftlichkeit. Ein immer mehr in den Fokus rückender Aspekt ist auch die Rohstoff­abhängigkeit und -knappheit bezogen auf Lithium-­Ionen-basierte Technologien. Der Umwelt­aspekt und die Recyclierbarkeit der teuren, seltenen und auch gesundheitskritischen Bestandteile rücken ebenfalls mehr und mehr in den Fokus. Die Ökobilanz wird immer wichtiger. Daneben sind auch wirtschaftliche Betrachtungen hinsichtlich der Weiter- oder Wiederverwendung von Batterien (second Life/Re-Use) von Bedeutung. Die teure Batteriekomponente besitzt nach dem Leben im Fahrzeug noch etwa 80 Prozent Restkapazität. Der Energiespeicher ist dann noch nutzbar, aber muss bei gleicher Anwendung öfter wieder aufgeladen werden als zu Beginn. Diese Restkapazität zu entsorgen und nicht zu nutzen wäre weder ökonomisch noch ökologisch sinnvoll.

Die nahe Zukunft der Energiespeicher für die Elektromobilität setzt daher sicherlich auf die Lithium-­Ionen-Technologie mit optimierten Materialien. Zukünftige Elektromobilitäts- und Energiekonzepte unter Berücksichtigung von Lade­infrastruktur und erneuerbaren Energien werden die Anforderungen an die zukünftigen Energiespeicher noch einmal deutlich verändern. Weitere Technologien werden daher sicherlich eine Rolle spielen.

Autoren: Julian Schwenzel, Abteilungsleiter, Elektrische Energiespeicher, Fraunhofer IFAM, Bremen/Oldenburg, Daniela Fenske, Stellvertretende Abteilungsleiterin

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