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Ressourcenschonende Emobility-Konzepte

Kobaltfreie Batterien für nachhaltige Elektromobilität

14. Dezember 2020, 08:26 Uhr   |  Irina Hübner

Kobaltfreie Batterien für nachhaltige Elektromobilität
© Mihalea Buga, ICSI

Lithium-Ionen-Batteriezelle der nächsten Generation.

Im EU-Verbundprojekt HYDRA forscht das DLR an nachhaltigen Lithium-Ionen-Batterien ohne Kobalt. Durch ressourcenschonende Batteriekonzepte und umweltfreundliche Herstellungsverfahren soll die europäische Batteriewirtschaft gestärkt werden.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) forscht im EU-Verbundprojekt HYDRA gemeinsam mit elf europäischen Projektbeteiligten an Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation. Neben Energiedichte und elektrischer Leistung sind bestmögliche Lebensdauer, Öko-Bilanz und Kosteneffizienz wichtige Aspekte. Mit neuartigen Elektrodenmaterialien, wie sie in den HYDRA-Batterien verwendet werden, lassen sich hohe Energiedichten und hohe Batterieleistungen gleichzeitig realisieren.

Dafür erproben die Wissenschaftler des Stuttgarter DLR-Instituts für Technische Thermodynamik die Leistungsfähigkeit der neuen Batterien. Ebenso analysieren sie die elektrochemischen Prozesse, die während des Betriebs im Inneren der Batterien ablaufen. Wie lange und wie zuverlässig die Batteriezellen funktionieren, untersuchen die Forscher, indem sie die Batterien immer wieder auf- und entladen.

Dabei berücksichtigen sie unterschiedliche Betriebsbedingungen, wie sie auch im Alltag vorkommen, zum Beispiel bei hohem Leistungsbedarf, bei besonders schnellen Ladevorgängen sowie bei unterschiedlichen Temperaturen. Zum Schluss werden die Batteriezellen geöffnet und geprüft, wie sich Struktur und Zusammensetzung der Materialien während des Betriebs verändert haben.

Auf Grundlage der experimentellen Ergebnisse des DLR simuliert das norwegische Forschungsinstitut SINTEF im Anschluss die chemischen und physikalischen Prozesse in den Batterien. Die Forscher passen so die Elektrodenmaterialien und das Zelldesign schrittweise an unterschiedliche Anforderungen an. Die im Labormaßstab gewonnen Erkenntnisse lassen sich dann auf die industrielle Ebene übertragen.

Nachhaltigkeit als Chance für europäische Hersteller

Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus enthalten die Elektroden der HYDRA-Batterien kein Kobalt mehr, sondern bestehen aus unproblematischen Materialien, wie Eisen, Mangan und Silizium. Dadurch enthalten sie 85 % weniger umweltschädliche Rohstoffe. Ein industrietauglicher Prototyp soll für den realen Betrieb in einem Schiffsbatteriesystem erprobt werden.

Um die neuartigen Elektroden umweltfreundlich, ressourcenschonend und kosteneffizient herzustellen, entwickelt das HYDRA-Team auch nachhaltige Produktionsverfahren auf Wasserbasis ohne organische Lösemittel. Damit leistet das Projekt einen wesentlichen Beitrag, um die europäischen Wertschöpfungsketten im Bereich der Batterieherstellung zu stärken und internationale Wettbewerbsvorteile zu schaffen.

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