Lithium-Ionen-Batterien Wie Batterien umweltfreundlicher werden können

Ein kürzlich gestartetes Verbundprojekt zielt darauf ab, neue Kohlenstoffe mit einem geringen CO₂-Fußabdruck für zukünftige grüne Batterien in Europa bereitzustellen. So soll eine wettbewerbsfähige Wertschöpfungskette in Europa geschaffen werden.

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Fraunhofer-Institut für Silicatforschung

Lithium-Ionen-Batterien sind eine Schlüsseltechnologie für Industrien wie beispielsweise die Automobilbranche, bei denen Energie möglichst aus erneuerbaren Ressourcen gespeichert und bereitgestellt wird. Große Teile der europäischen Industrie sind allerdings 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 - auch, um Batterietechnologien umweltfreundlicher und auch grüner zu machen. Das neue Verbundprojekt Hi-Q-Carb hat nun das Ziel, neue Rohstoffe für die Verwendung in Batterien zu evaluieren, um diese anschließend für den europäischen Batteriemarkt zu produzieren.

Was hat Kohlenstoff mit Lithium-Ionen-Batterien zu tun?

Lithium-Ionen-Batterien benötigen neben dem Lithium eine Reihe von speziellen Funktionsmaterialien für ihre Leistungsfähigkeit, sogenannte leitfähige Additive. Diese leitfähigen Zusätze wie Leitruß oder Kohlenstoff-Nanoröhren sind ein entscheidender Baustein für die Leistungsfähigkeit und Umweltverträglichkeit von Lithium-Ionen-Batterien. Kohlenstoff spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der elektronischen Leitfähigkeit von Batterie-Kathoden und ist daher für das Erreichen schneller Lade- und Entladeraten unerlässlich. Meist machen die Rohstoffe den größten Teil der Kosten in der Produktion aus. Um die Batterieindustrie nachhaltig mit diesen Leitadditiven versorgen zu können, müssen CO₂- und ressourceneffiziente Kohlenstoffmaterialien geschaffen, validiert und in ausreichender Menge in Europa wirtschaftlich produziert werden.

Der bisher verwendete Kohlenstoff Carbon-Black (Leitruß) wird in der Regel mit hohem Energie- und Prozessmaterialaufwand hergestellt. Der Hi-Q-Carb-Ansatz für Kohlenstoff-Additive ist die Kombination von dünnen Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Acetylen-Black-Partikel (Acetylenruß), die eine hohe Leitfähigkeit und geringe CO₂-Emission bei der Herstellung aufweisen. Die Standard Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) werden durch neue, dünnere Kohlenstoff-Nanoröhren 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, das aus einem erneuerbaren Bioethanol-Rohstoff hergestellt wird.

In Kombination bilden sie ein leitendes Netzwerk innerhalb der Batterieelektrode. Das 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. Außerdem wird im Rahmen des Projekts eine Lebenszyklusanalyse durchgeführt, um die Nachhaltigkeit des Produktionsprozesses bewerten zu können.

Zusammenarbeit zwischen Industrie und Forschung

Am Verbundprojekt beteiligen sich Unternehmen wie Arkema und Orion für die Herstellung von fortschrittlichen Additiven und Custom-Cells für die Batteriezellproduktion. Des Weiteren sind Forschungspartner beteiligt. Darunter das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC, die Aalto-Universität und die Universität Bordeaux. Sie sind verantwortlich für den wissenschaftlichen Teil der Evaluierung und Erprobung der neuen Materialkombinationen und der daraus hergestellten Batteriezellen.

Darüber hinaus werden vom Projektteam Wissens- und Lernmodule zur Verfügung gestellt, um die Ausbildung zukünftiger Experten für die Lithiumbatterie-Wertschöpfungskette und Beteiligungsmöglichkeiten für Industrie und Forschung gemäß den Bildungsempfehlungen von EIT-Raw-Materials zu unterstützen. Hi-Q-Carb erhält zudem EU-Fördermittel von EIT-Raw-Materials.

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