Großer Schub für die nächste Generation der Batterie-Innovation
Die meisten Fahrzeugbatterien basieren noch immer auf der Bleisäure-Technologie aus dem Jahr 1859, doch Lithium-Ionen-Batterien werden immer beliebter. Die größten Vorteile sind eine höhere Energiedichte, eine erhöhte Spannungskapazität und eine längere Nutzungsdauer. „Der Markt für Lithium-Ionen-Batterien wächst um unglaubliche 25 % jährlich“, bemerkt der Projektkoordinator von TEESMAT (Open Innovation Test Bed for Electrochemical Energy Storage Materials), Fabien Perdu vom französischen Kommissariat für Atomenergie und alternative Energien. „Wir erleben eine industrielle Revolution. Lithium-Ionen-Batterien werden hauptsächlich in Unterhaltungselektronik verwendet, doch sie werden derzeit zum zentralen Impulsgeber in der Elektromobilität.“ Weitere energieeffiziente Batterie-Innovationen auf der Grundlage anderer chemischer Substanzen kommen ebenfalls auf, darunter Durchflussbatterien, verschiedene Zink-Mischungen und hybride Super-Kondensatoren. „Die Entwicklung potenzieller zukünftiger Technologien wie Lithium-Metall- oder Siliziumanoden-, Lithium-Schwefel- und organischen Batterien wird ebenso vorangetrieben“, fügt Perdu hinzu.
Entwicklung einer wettbewerbsfähigen europäischen Batteriebranche
Doch diese Innovation umzusetzen, stellt eine Herausforderung dar. „Bei der Batterie-Entwicklung findet ein empfindlicher Balanceakt mit verschiedenen Kriterien statt“, erklärt Perdu. „Diese Kriterien, wie Energiedichte, Speicherkapazität, Schnellladen und Sicherheit, sind einzeln leicht zu optimieren, jedoch teils schwierig zu kombinieren. Hinter diesen Kriterien stehen dutzende chemische Reaktionen und physikalische Effekte, die verstanden, beherrscht und umgangen werden müssen.“ Das Verständnis dieser Prozesse ist somit von entscheidender Bedeutung für die Entstehung einer wettbewerbsfähigen und zukunftsorientierten europäischen Batteriebranche. Leider ist solches Fachwissen nicht immer leicht zugänglich, sodass schon früh in der Entwicklung neuer Batterie-Innovationen ein Engpass entsteht. Das EU-finanzierte Projekt TEESMAT strebte an, dieses Problem zu überwinden, indem es einfachen Zugang zu diesem Wissen und zu Verfahren bietet und das Fachwissen durch den Austausch von bewährten Verfahren und Erkenntnissen ausbaut. Hier hatte man Erfolg, indem diejenigen, die modernste Charakterisierungsverfahren und Fachwissen anbieten, mit Industrieunternehmen in der Batteriebranche zusammengebracht wurden. „Wir haben diese offene Testumgebung für Innovationen eingerichtet, getestet und veröffentlicht, um Dienstnehmern über eine zentrale Anlaufstelle Zugang zu allen Dienstanbietern zu bieten“, erklärt Perdu. „Die Dienstnehmer sind dabei zukünftige Verbrauchende, die sich über diese Plattform mit ihren Proben und offenen Fragen an Fachleute wenden können.“ Die Plattform ist sorgfältig strukturiert, damit Hersteller die beste Kombination an Verfahren für einzelne Probleme finden können. Die Proben können dann an die entsprechenden Dienstanbieter gesendet werden, um aus den gemeinsamen Ergebnissen Schlussfolgerungen zu ziehen. Soweit Vertraulichkeitsvereinbarungen dies erlauben, werden Informationen zu geprüften Proben, Ergebnissen und Schlussfolgerungen in einer Datenbank gesammelt, damit bewährte Verfahren ausgetauscht werden können. „Bisher haben wir über 700 Proben verteilt und 250 Tests für mehr als 40 Nutzende durchgeführt“, sagt Perdu. „In all diesen Fällen konnten über die Plattform Ergebnisse erzielt werden, die ohne eine Kombination passender Verfahren nicht möglich gewesen wären.“
Sicherere, langlebigere, umweltfreundlichere Batterien
Zu den wesentlichen Erfolgen gehört die Entwicklung von: einem geeigneten Instrument zur Qualitätskontrolle für die effiziente Entwicklung von Elektroden; Batterien mit hybrider Technologie für schnelleres Laden und längere Nutzungsdauer sowie eine Lösung, um die Kupferoxidation in Energiespeicheranwendungen zu umgehen. Die Plattform konnte außerdem erfolgreich einen Mechanismus erarbeiten und testen, um die Nutzungsdauer von Lithium-Ionen-Zellen in Fahrzeugen zu prognostizieren. „Wir konnten externe Dienstanbieter anwerben und so unser Expertenportfolio ausweiten“, fügt Perdu hinzu. „Weitere Dienstnehmer werden unsere Bandbreite der zukünftigen Kundschaft ausweiten und wertvolle Rückmeldungen zur TEESMAT-Plattform bieten.“ Zu den nächsten Schritten gehört die Vorbereitung der Kommerzialisierung. „Nach Projektende im August 2022 wird die Plattform als zahlungspflichtiger Dienst weiterlaufen“, erklärt Perdu. „Deshalb konzentrieren wir uns derzeit auf Steuerungs- und Betriebsfragen und auf die letztendliche Liste der vorgeschlagenen Charakterisierungsverfahren.“ TEESMAT wird also weiterhin eine zentrale Rolle bei der Entwicklung einer wettbewerbsfähigen und technologisch modernen europäischen Batteriebranche spielen. „Unsere offene Testumgebung für Innovationen hat wirklich Fachwissen zu verschiedenen Charakterisierungsverfahren hervorgebracht und diese der Batteriebranche zur Verfügung gestellt“, sagt Perdu. „Wir hoffen, so zu besseren, sichereren, langlebigeren, günstigeren und umweltfreundlicheren Batterien beizutragen.“
Schlüsselbegriffe
TEESMAT, offene Innovation, Testumgebung, Batterien, Lithium-Ionen-Batterie, Super-Kondensatoren, Lithium, Silizium, Energie, Elektroden