RONDO: Graphitanoden zum Schnellladen

Graphit ist mit mehr als 90 Prozent Marktanteil – 67 Prozent für Naturgraphit (NG) und 24 Prozent für synthetischen Graphit (SG) – das wichtigste Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Mit hoher Wahrscheinlichkeit wird sich daran die nächsten 10 bis 20 Jahre wenig ändern. Als mögliche Alternative mit höherer Energiedichte wird Silicium intensiv untersucht. Um damit die Lebensdauern zu erreichen, die heute von Lithium-Ionen-Batterien erwartet werden, wird dies aber meist in Kombination mit mehr als 90 Prozent Graphit bzw. Kohlenstoff als sogenannter Komposit verwendet. Graphit stellt massen- und volumenbezogen somit auch in Zukunft die Hauptkomponente der Anode dar.

Mit den Zuwächsen in den Bereichen Elektromobilität und stationärer Energiespeicher wird sich der Bedarf an LIB und Graphit in den kommenden fünf bis zehn Jahren mindestens verdoppeln. Dieser Bedarf lässt sich mit den heute erschlossenen NG-Vorkommen nur schwer abbilden. Zudem kommen heute 90 Prozent des NG für LIB aus China, was ein ernstes Versorgungsrisiko darstellt. Aus diesem Grund hat die Europäische Kommission NG als kritischen Rohstoff eingestuft hat. Vor diesem Hintergrund laufen zur Zeit intensive Anstrengungen, um neue NG-Vorkommen zu erschließen.

Das Verbundvorhaben RONDO beschreitet einen weiteren Weg, um die Versorgung mit Graphit sicherzustellen, und versucht, Graphit bei der Zellherstellung einzusparen. Die unebenen, kantigen Graphitpartikel, aus denen die Anoden hergestellt werden, werden heutzutage in zunehmendem Maße abgerundet, weil dies die Leistungs- und insbesondere die Schnellladefähigkeit der Anode verbessert. Die bestehenden aufwändigen Prozesse zur Rundung sind allerdings sehr ineffizient und erreichen lediglich Ausbeuten von 30 bis 50 Prozent. Der Verlust an Graphit ist also sehr hoch.

Ziel des Projektes ist es deshalb, einen neuen und kostengünstigeren, integrierten Prozessschritt zu entwickeln, um Graphitpartikel abzurunden. Dabei achten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler besonders darauf, die Ausbeute deutlich zu erhöhen und dabei optimale Partikelgrößen zu erhalten. Dabei blicken sie auch über den eigentlichen Prozess hinaus. Sie wollen ein detailliertes Verständnis für die Zusammenhänge zwischen Materialsynthese und -modifizierung, Struktur und Materialeigenschaften und elektrochemischer Leistungsfähigkeit in der Zelle erarbeiten. Und schlussendlich haben sie vor, schnellladefähige Anoden zu entwickeln, indem sie die idealen Graphitmaterialien, die besten Mischungen aus NG und SG und das beste Elektrodendesign identifizieren.

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