Flüssigbatterie ermöglicht schnelles Aufladen und Verdoppelung der Reichweite von Elektrofahrzeugen
Neben den zunehmenden Bedenken der Verbraucher hinsichtlich nicht nachhaltiger Produkte treiben sowohl nationale als auch internationale Vorschriften zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen (THG) die Pläne zum Ersatz umweltschädlicher Fahrzeuge auf Basis fossiler Brennstoffe durch elektrische Alternativen voran. Ziel der EU ist es, den Verkehrssektor bis 2050 zu dekarbonisieren. Trotz dieser Entwicklungen blieb die Akzeptanz von Elektroautos gering. So machte ihr Anteil 2018 nur etwas mehr als 2 % des Fahrzeugabsatzes aus. Die Anwender werden dabei häufig durch Einschränkungen der Batterien abgeschreckt. Diese erfordern oft lange Ladezeiten (durchschnittlich 4 Stunden) und haben eine geringe Energiedichte, wodurch die Fahrreichweite auf maximal 300 km reduziert wird. Außerdem wird das Netz stark beansprucht, wenn mehrere Festkörperbatterien gleichzeitig aufgeladen werden. BETTERY, das Unternehmen, das hinter dem EU-finanzierten Projekt NESSOX steht, hat die technischen Spezifikationen verbessert und die Leistung eines Prototyps für eine patentierte neue Klasse von Lithium-Sauerstoff-Flüssigbatterien validiert. Die neue semi-feste Li-O2-Durchflussbatterie (NESSOX) kann in wenigen Minuten (ohne nennenswerte Auswirkungen auf das Stromnetz) aufgeladen werden und bietet eine doppelt so hohe Fahrreichweite, als bisher möglich war. Im Rahmen des Projekts konnte das Team auch die Vermarktbarkeit dieser neuartigen Batterie bewerten.
Die völlig neue Lithium-Sauerstoff-Durchflussbatterie
NESSOX ist eine semi-feste Flüssigbatterie. Die Flüssigkeit wirkt zum einen als fließfähige Elektrode und zum anderen als Elektrolyt und O2-tragender Katholyt. Herkömmliche Li-O2-Zellen sind fest und verwenden Luftatmungskathoden, wobei das O2 als Gas von außen in den Zellkern gelangt. Der Nachteil hierbei ist, dass das Gas nur sehr langsam transportiert wird. In einer NESSOX-Batterie befindet sich das O2 in der Flüssigkeit, die in der Zelle zirkuliert. Dadurch kommt es schneller beim Zellkern an. „Die NESSOX-Batterie unterscheidet sich von anderen Lithium-Sauerstoff-Batterien durch die Kombination der Leichtigkeit und der hohen Leistung dieser Technologie mit der Modularität von Durchflussbatterien“, so Projektkoordinatorin Francesca Soavi. „Die Verwendung eines patentierten semi-festen Katholyten auf der Basis von Kohlenstoff-Nanopartikeln gewährleistet Flexibilität sowie eine hohe Leistungsfähigkeit und Entladungskapazität bei noch nie zuvor berichteten Dichten.“ Die NESSOX-Batterie ist vollständig mit der aktuellen Ladeinfrastruktur kompatibel und verfügt über eine wichtige bahnbrechende Funktion – sie kann aufgeladen werden, ohne dass die Fahrzeuge dafür physisch an das Stromnetz angeschlossen werden müssen. Dies ist möglich, da verbrauchte fließfähige Elektroden einfach durch solche ersetzt werden, die bereits aus erneuerbaren Quellen aufgeladen wurden. Während des Projekts führte BETTERY experimentelle Tests mit dem neuen NESSOX-Prototyp durch. Dabei wurden eine Stromdichte von 2,0 mA/cm², eine Nennleistung von 100 mW und eine Zelloberfläche von 24 cm² erreicht. Schätzungen des Teams zufolge werden die Kosten für die NESSOX-Batterie mindestens 30 % unter denen von Lithium-Ionen-Batterien mit fester Elektrode liegen. „Unsere Arbeit zeigt die höchste spezifische Energie und Sicherheit zu den niedrigsten Kosten und Ladezeiten, über die jemals in der wissenschaftlichen Literatur berichtet wurde“, sagt Soavi.
Schwermetallfrei, hochgradig skalierbar und umweltfreundlich
Durch den Verzicht auf seltene Materialien wird NESSOX dazu beitragen, dass Europa im globalen Sektor für innovative und saubere Energie wettbewerbsfähig bleibt. Die Batterie erhält bereits Anerkennung. BETTERY gewann 2019 den Batterie-Wettbewerb beim Rohstoffgipfel des Europäischen Innovations- und Technologieinstituts. „Gemäß dem Fahrplan der EU sollen Li-O2-Batterien ab 2030 kommerzialisiert werden. Sobald die Investitionen abgeschlossen sind, können wir diese vielversprechende und bahnbrechende Technologie auf einen vorindustriellen Prototyp für Tests in realen Umgebungen hochskalieren“, so Soavi. BETTERY richtet sich an Hersteller von E-Bikes und E-Rollern. Bisher haben bereits italienische und französische Hersteller ihr Interesse bekundet. Aber auch außerhalb Europas gab es Interessenten, z. B. aus Japan. Im weiteren Projektverlauf wird sich das Team mit breiteren Anwendungen in der Elektromobilität wie Drohnen befassen, bevor es zu E-Schiffen, E-Bussen, E-Zügen und Anlagen für erneuerbare Energien (Photovoltaik und Wind) übergeht, in die die NESSOX-Batterie als Energiespeichersystem integriert werden kann.
Schlüsselbegriffe
NESSOX, Flüssigbatterie, Festkörperbatterie, Aufladen, Elektrofahrzeug, Elektroautos, Verkehr, Emissionen, Li-Ion, Lithium-Ion, Li-O2, Lithium-Sauerstoff, Elektrolyt, Katholyt
