Schneller Laden, länger Fahren Eine deutsch-französische Forschungskooperation entwickelt schnellladefähige Batterien

Hochleistungsbatterien, die sich schnell aufladen lassen, eine lange Lebensdauer haben und gleichzeitig eine ausreichend hohe Energiedichte garantieren – das ist das Ziel des deutsch-französischen Forschungsprojekts HiPoBat High Power Batteries, an dem das Institut für Partikeltechnik der Technischen Universität Braunschweig beteiligt ist. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung leistungsstarker Festkörperbatterien, die den ökologischen, geopolitischen und wirtschaftlichen Druck im Bereich der elektrochemischen Energiespeicherung verringern können.

Energie- und Leistungsdichte sind wichtige Eigenschaften von Batterien. Die Energiedichte gibt an, wie lange eine Batterie genutzt werden kann, bevor sie wieder aufgeladen werden muss. Die Leistungsdichte hingegen ist ein Maß dafür, wie schnell eine Batterie Energie bereitstellen und abgeben kann. Eine allgemeine Schwierigkeit besteht darin, eine hohe Leistungsdichte mit einer ausreichenden Energiedichte zu kombinieren.

Verschiedene Anwendungsbereiche

In der Elektromobilität könnten Hochleistungsbatterien, zum Beispiel, eine Alternative zu Batterien mit immer höherer Energiedichte bieten. Elektroautos hätten zum aktuellen Stand der Entwicklung dann zwar nur noch eine Reichweite von 300 Kilometern, könnten aber in weniger als zehn Minuten wieder aufgeladen werden. Sie können auch als kleine Batterie in Hybridfahrzeugen eingesetzt werden, um den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen zu unterstützen und beim Bremsen Energie zurückzugewinnen.

Auch für schnurlose Elektrowerkzeuge sind sie unverzichtbar. Darüber hinaus werden sie für viele Lastverteilungsanwendungen im stationären Betrieb benötigt, zum Beispiel für unterbrechungsfreie Stromversorgungen. Diese liefern Strom bei Stromausfällen und Spannungseinbrüchen und sind wichtig für die Aufrechterhaltung von Computerspeichersystemen, Industrieprozessen, Kommunikations- und Sicherheitssystemen, lebenswichtigen Systemen in der Medizin und die Stabilisierung von Stromnetzen.

All diese Anwendungen erfordern eine ausreichende Energiedichte bei gleichzeitig hoher Leistung im Lade- und Entlademodus – ein Problem, das die deutschen und französischen Wissenschaftler*innen im Rahmen des Verbundprojekts lösen wollen. Sie untersuchen insbesondere, wie sich Ionen und Elektronen in der Batterie beim Laden und Entladen verhalten und wie sich die Zellen dabei erwärmen. Der Stand der Technik der aktuellen Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Technologie mit flüssigen Elektrolyten wird als Referenz betrachtet. Neue Materialien, neue Zellkonzepte und ein besseres Verständnis des Alterungsprozesses von Batterien sollen die Entwicklung von Hochleistungs-Festkörperbatterien auf Lithium- und Natriumbasis ermöglichen.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Verfügbarkeit von Ressourcen. Viele Rohstoffe für herkömmliche Batterien werden aus problematischen Ländern importiert. Der Wunsch nach technologischer Souveränität und Nachhaltigkeit hat insbesondere bei Natriumbatterien zu einem verstärkten Interesse geführt. Natrium ist ein alltägliches Element, das zum Beispiel in Kochsalz enthalten ist. Eine Technologie, die ohne Kobalt, Nickel, Graphit oder Lithium auskommt, würde die Umwelt schonen, den Druck auf die Politik verringern und die deutsch-französische Wirtschaft stärken.

Aufgabengebiete des Instituts für Partikeltechnik (IPAT) an der TU Braunschweig

Das Institut für Partikeltechnik konzentriert sich zum einen auf die Gestaltung der 3D-Elektrodenstruktur mit dem Ziel, ein schnelles Laden und eine hohe Lebensdauer bei ausreichend hoher Energiedichte zu ermöglichen. Dafür wird an der Synthese, Formulierung und Prozessoptimierung von Silizium-Kompositen geforscht. Dies gilt als ein industriell relevantes, kosteneffizientes und hochkapazitives Anodenmaterial für lithium- und natrium-basierte Feststoffsysteme.

Am IPAT werden außerdem verschiedene Prozessierungsrouten miteinander verglichen und evaluiert, um eine effiziente und skalierbare Prozessroute für die Herstellung von Silizium-basierten Anoden zu entwickeln. Außerdem wird das IPAT Prozesstechniken von lithiumbasierten Feststoffbatterien auf natriumbasierte Feststoffbatterien übertragen, um das neue System der Natriumbatterie und dessen Wechselwirkungen bei der Produktion besser zu verstehen.

Alle Versuche werden simulativ begleitet. Das bedeutet, es werden neue Diskrete-Element-Modelle der Produktionsprozesse für lithium- und natriumbasierte Systeme entwickelt, die die Produktionsschritte virtuell abbilden werden. Diese sollen die Prozessoptimierung für die Anodenherstellung unterstützen. Mit diesen Modellen wird die Mikrostruktur der Elektroden während des Herstellungsprozesses modelliert, aus denen dann die elektrochemischen Eigenschaften der Batterie simuliert werden können. Alle entwickelten Modelle sollen die Produktion als „digitalen Zwilling“ (virtuelle Abbildung der Prozesse anhand von Echtzeitdaten) begleiten.

Projektdaten:

Das Projekt, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und koordiniert vom Forschungszentrum Jülich, läuft von Mai 2024 bis April 2027. Das Gesamtbudget beträgt 17,3 Millionen Euro.