Material- und Prozesstechnik für LIB

Lithium-Ionen-Batterien bleiben Stand der Technik

Ohne Lithium-Ionen-Batterien (LIB) wäre ein Erfolg der Elektromobilität und portabler elektrischer Geräte gar nicht denkbar. Sie haben im weltweiten Batteriemarkt seit Jahren die höchsten Wachstumsraten und Prognosen zeigen, dass bald mehr Lithium-Ionen-Batterien hergestellt werden als jemals irgendeine andere elektrochemische Energiespeichertechnologie. Ein Batteriesystem, das diese Systeme bald ablösen könnte, ist nicht in Sicht. Experten sind sich einig, dass Lithium-Ionen-Batterien die kommenden 20 Jahre den Markt dominieren werden.

Die Optimierung von Lithium-Ionen-Batterien ist längst nicht abgeschlossen. Deshalb setzt das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) einen Förderschwerpunkt auf Weiterentwicklungen von Lithium-Ionen-Systemen auf Material-, Prozess- und Fertigungsebene. Dabei sollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf starke Rückkoppelungen und Vernetzungen zwischen diesen drei Disziplinen achten, um das Gesamtbatteriesystem noch leistungsfähiger, kostengünstiger, langlebiger, umweltfreundlicher und sicherer zu machen.

Materialtechnologie

Es gibt bereits zahlreiche verschiedene Aktivmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien. Doch die Forschung in diesem Bereich ist noch lange nicht ausgereizt. Noch immer werden neue Materialien entdeckt, welche sich für die Speicherung von Lithium-Ionen eignen. Diese müssen optimiert, in ausreichend großer Menge hergestellt und weiterverarbeitet werden können. Neue Materialien bringen neue Eigenschaften mit sich. So kann es passieren, dass eine neue Komponente sich mit einer oder mehreren anderen nicht verträgt. Dann müssen Lösungen gefunden werden, um das neue Material einsetzen zu können.

Aber auch bei bereits etablierten Materialien gibt es Möglichkeiten zur Optimierung. Es können etwa neue, umweltfreundlichere, kostengünstigere oder einfachere Wege entwickelt werden, um sie herzustellen. Und nicht nur Aktivmaterialien können optimiert werden, sondern auch alle anderen Komponenten einer Zelle oder Batterie. So können etwa Separatoren noch sicherer gemacht werden oder dünner, was Bauraum oder Gewicht spart und somit die Energiedichte einer Batterie erhöht.

Prozesstechnologie

Insbesondere in Deutschland, wo es zwar einige erfolgreiche Zellhersteller gibt, aber keine so großen wie etwa in Asien, liegt in der Prozesstechnologie noch viel Verbesserungspotenzial, um Zellen schneller, kostengünstiger, noch umweltfreundlicher und mit noch höherer Qualität zu produzieren. Diverse Prozessschritte in der Herstellung von Zellen sind noch nicht einmal grundlegend untersucht worden. Es fehlen Mechanismen und Modelle, um Vorhersagen treffen zu können, wie sich Veränderungen von Prozessparametern auf die Qualität einer Batteriezelle auswirken.

Zelltechnologie

Auch die Zelle in ihrer Gesamtheit kann noch optimiert, verändert und sogar von Grund auf neu konzipiert werden. So muss das Design nicht zwangsläufig immer einheitlich sein, sondern könnte an die verschiedenen eingesetzen Materialien jeweils ideal angepasst werden. Statt viele Zellen zu fertigen und anschließend zu einer Batterie zusammenzubauen, kann man versuchen, die Zellen direkt gestapelt zu bauen, und somit Material einsparen und die Energiedichte erhöhen. Auch gibt es Ansätze, Zellen mit Sensoren auszustatten und deren Leistung und Alterung permanent zu überwachen.

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