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Jun 4, 2021 | Forschung

Meilenstein für nachhaltige Batterien – „grünere“ Kohlenstoffe

Lithium-Ionen-Batterien benötigen neben dem Lithium eine Reihe von speziellen Funktionsmaterialien für ihre Leistungsfähigkeit. Einige davon klingen eher unspektakulär: leitfähige Additive. Tatsächlich sind leitfähige Zusätze wie Leitruß oder Kohlenstoff-Nanoröhren ein entscheidender Baustein für die Leistungsfähigkeit und Umweltverträglichkeit von Lithium-Ionen-Batterien. Das kürzlich gestartete Verbundprojekt HiQ-CARB zielt darauf ab, neue Kohlenstoffe mit einer überlegenen Leistung und einem geringen CO2-Fußabdruck für zukünftige grüne Batterien in Europa bereitzustellen. HiQ-CARB erhält EU-Fördermittel von EIT RawMaterials, um dieses essentielle neue Batteriematerial zu skalieren und zu validieren.

Mittlerweile ist es hinlänglich bekannt: Li-Ionen-Batterien sind eine Schlüsseltechnologie für zukunftsweisende europäische Industrien wie Elektrofahrzeuge, tragbare elektronische Geräte oder eine Vielzahl anderer Anwendungen, bei denen Energie möglichst aus erneuerbaren Ressourcen gespeichert und bereitgestellt wird. Große Teile der europäischen Industrie, darunter auch die europäische Automobilindustrie, sind 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 – nicht zuletzt, um Batterietechnologien umweltfreundlicher und „grüner“ zu machen.

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

Kohlenstoff spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der elektronischen Leitfähigkeit von Batteriekathoden und ist daher für das Erreichen schneller Lade- und Entladeraten unerlässlich. Im wachsenden Batteriemarkt machen die Rohstoffe den größten Teil der Kosten in der Produktion aus. „Um die wachsende europäische Batterieindustrie nachhaltig mit hochwertigen Leitadditiven versorgen zu können, müssen CO2– und ressourceneffiziente Kohlenstoffmaterialien geschaffen, validiert und in ausreichender Menge in Europa wirtschaftlich produziert werden“, erklärt Projektkoordinator Dr. Andreas Bittner vom Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC. Das ist es, was HiQ-CARB erreichen will.

Intelligent kombinieren, verarbeiten und lernen

Das Projektteam von HiQ-CARB setzt zum einen auf sehr profilierte Unternehmen wie ARKEMA oder ORION für die Herstellung von fortschrittlichen Additiven und Customcells für die Batteriezellproduktion. Auf der anderen Seite sind namhafte FuE-Partner wie das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC, die Aalto-Universität und die Universität Bordeaux für den wissenschaftlichen Teil der Evaluierung und Erprobung der neuen Materialkombinationen selbst und der daraus hergestellten Batteriezellen beteiligt.

Der HiQ-CARB-Ansatz für fortschrittliche Kohlenstoff-Additive ist die Kombination von dünnen Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Acetylen-Black Partikel (Acetylenruß), die mit hoher Leitfähigkeit und geringer CO2-Emission bei der Herstellung punkten. In Kombination bilden sie ein nahezu ideal leitendes Netzwerk innerhalb der Batterieelektrode. 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.

Darüber hinaus wird das HiQ-CARB-Team Wissens- und Lernmodule zur Verfügung stellen, um die Ausbildung zukünftiger Experten für die Lithiumbatterie-Wertschöpfungskette und Beteiligungsmöglichkeiten für Industrie und Forschung gemäß den Bildungsempfehlungen von EIT RawMaterials zu unterstützen.

Wie Kohlenstoffe „grüner“ werden

Carbon Black (Kohlenstoff, hier speziell Leitruß) wird in der Regel mit hohem Energie- und Prozessmaterialaufwand hergestellt. HiQ-CARB wird Standard-Leitruß durch neuen und viel grüneren hochwertigen Acetylenruß ersetzen. Dies trägt erheblich zur Verbesserung der Umweltbilanz bei, z. B. durch die Reduzierung des CO2-Fußabdrucks der Materialherstellung. Darüber hinaus werden die bereits kommerzialisierten Standard-Kohlenstoff-Nanoröhren (carbon nanotubes – CNT) durch neue, noch viel dünnere CNT 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 weltweit, das aus einem erneuerbaren Bioethanol-Rohstoff hergestellt wird. Außerdem wird im Rahmen des Projekts eine Lebenszyklusanalyse durchgeführt, um die Nachhaltigkeit des Produktionsprozesses zu bewerten.

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