Für die schnelle Umsetzung der Elektromobilität in Europa ist die Reichweite eine der größten Herausforderungen. Im europäischen Projekt ECO COM'BAT 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. Sie soll nicht nur leistungsfähiger, sondern auch in Bezug auf die verwendeten Materialien nachhaltiger als herkömmliche Batterien des gleichen Typs sein. Zentrale Aufgabe ist dabei die Substitution von bisher üblichen oftmals teuren, seltenen oder gar kritischen Materialien.

Wegen ihrer hohen Energiedichte und Zuverlässigkeit sind Lithium-Ionen-Batterien aktuell die bevorzugte Energiequelle für elektromobile Fahrzeuge und Konsumergeräte. Doch mit der wachsenden Anzahl an Elektrofahrzeugen und den technologisch immer komplexeren mobilen Endgeräten sind auch die Ansprüche gestiegen. Größere Sicherheit, längere Lebensdauer, höhere Energiedichte und Leistung sowie größere Reichweite sind gefordert.

Ziel des Projekts ECO COM'BAT (»Ecological Composites for High-Efficient Li-Ion Batteries«) ist die Herstellung einer innovativen 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.

Upscaling im Produktionsmaßstab

Um all dies zu erreichen, verwenden die Projektpartner innovative Materialien: kobaltarmes Lithium-Nickel- Mangan-Kobalt-Oxid – sogenanntes NMC – dient als aktives Material der Elektrode und liefert die erforderliche hohe Energiedichte bei rund 20 Prozent 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 ECO COM'BAT ist die Hochskalierung der Produktionsprozesse, um die innovativen 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.

Effizientes, schonendes Recyclingverfahren

Mit der weiteren Verbreitung von Elektrofahrzeugen werden zukünftig auch sehr viel mehr Altbatterien anfallen. Um problematischen Müll zu vermeiden und v. a. die wertvollen Batteriematerialien wie Graphit, Kobalt und Lithium zurückzugewinnen, müssen neue Wege für ein effizientes Recycling gefunden werden. Um eine bestmögliche Wiederverwertung von Rohstoffen und Batteriematerialien zu erreichen, wird bereits bei der Herstellung der Prototypen auf ein recyclinggerechtes Design geachtet. Außerdem sollen innovative Recyclingverfahren erprobt werden.

Projektpartner und Förderung

Das Projekt ECO COM'BAT wird vom Konsortium EIT RawMaterials des Europäischen Instituts for Innovation und Technologie EIT finanziert. EIT RawMaterials, gefördert von der Europäischen Kommission, ist das weltweit größte und stärkste Konsortium im Rohstoffsektor. Seine Vision ist eine Europäische Union, in der Rohstoffe eine große Stärke sind. Aufgabe des Konsortiums ist es, die Wettbewerbsfähigkeit, das Wachstum und die Attraktivität des europäischen Rohstoffsektors durch radikale Innovation und unternehmerische Initiative zu stärken.

Die innovativen Materialien der Hochvoltbatterie liefern insbesondere die Industriepartner Arkema aus Frankreich sowie Umicore aus Belgien und im Fall der Schutzbeschichtung das Fraunhofer ISC. Arkema und das Fraunhofer ISC skalieren die Materialien für den Pilotmaßstab auf, die Elektroden und Zellen fertigen das französische Energieforschungsinstitut CEA, der deutsche Hersteller Custom Cells Itzehoe und das Fraunhofer F&E-Zentrum Elektromobilität Bayern, Teil des ISC, nach Vorgaben des französischen Batterieherstellers Saft. Die Analyse und Charakterisierung der Materialien, Komponenten und Zellen übernehmen die TU Darmstadt, das spanische Forschungsinsitut CSIC, das italienische Forschungsinstitut ENEA, das Fraunhofer ISC und dessen Projektgruppe IWKS. Die Betriebssimulation führt das flämische Forschungsinstitut VITO durch. Tests zu neuen Recyclingverfahren werden von der Fraunhofer-Projektgruppe IWKS geleitet.

Mehr Informationen

www.isc.fraunhofer.de
www.iwks.fraunhofer.de
www.eitrawmaterials.eu