Schneller, länger, grüner, sicherer: Empa optimiert E-Auto-Batterien
In einem vierjährigen EU-Projekt unter der Leitung der Empa gelang es elf Teams aus Forschung und Industrie, Batterien für Elektroautos massgeblich zu verbessern.
@empa
Den Teams ging es um die Verbesserung und Optimierung der Lithium-Ionen-Batterien, wie sie heute in E-Autos zu finden sind.
Nach 2035 sollen in Europa keine neuen Autos mit Verbrennungsmotoren mehr verkauft werden. Um dieses hochgesteckte Ziel zu erreichen, braucht es vor allem eines: bessere Akkus, damit Elektroautos schneller laden, längere Strecken fahren und einen kleineren ökologischen Fussabdruck haben.
Initiiert und geleitet wurde das vierjährige EU-Projekt mit einem Gesamtbudget von über 10 Millionen Euro von Forschenden des Empa-Labors «Materials for Energy Conversion».
Technologien für heute
Das Ziel von «SeNSE» war pragmatisch und ambitioniert zugleich. Die elf Teams wollten Lösungen für Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation entwickeln. Das heisst: Nach Abschluss des Projekts sollten die entwickelten Materialien und Technologien möglichst nahe an der Produktion im industriellen Massstab und somit am Einsatz in Elektroautos stehen.
Dafür durchliefen die Projektmitglieder in nur vier Jahren beinahe die gesamte Wertschöpfungskette der Batterieherstellung: von der Entwicklung neuer Materialien über deren Skalierung bis hin zum Einbau in Batteriezellen. Die etwa Smartphone-grossen Zellen wurden vom Austrian Institute of Technology (AIT) hergestellt. Die FPT Motorenforschung AG, das Innovationszentrum der Marke FPT Industrial, die zur Iveco-Gruppe gehört, konnte sie daraufhin in ein fixfertiges Modul einbauen, wie es in einem elektrischen Fahrzeug verbaut wird – samt der dazugehörigen Elektronik und Software.
Alle Komponenten weiterentwickelt
Das «SeNSE»-Modul weist einige Verbesserungen gegenüber heutigen Akkus auf: eine höhere Energiedichte und eine günstigere Umweltbilanz, Schnellladefähigkeit und erhöhte Brandsicherheit – und natürlich Wirtschaftlichkeit. Alle Kernkomponenten der Batterie wurden im Projekt weiterentwickelt. Die Kathode enthält nur halb so viel des kritischen Rohstoffs Kobalt wie heutige Akkus. In der Anode konnten die Projektteams einen Teil des Graphits – gerade wegen der Batterieherstellung ebenfalls als kritisch eingestuft – durch Silizium ersetzen, eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste.
Auch der Elektrolyt – die Flüssigkeit, die Ionen zwischen den Elektroden überträgt und so das Laden und Entladen der Batterie ermöglicht – wurde verbessert. Hier waren die Empa-Forschenden federführend und reduzierten die Brennbarkeit des Elektrolyten.
Um die Schnellladefähigkeit weiter zu verbessern, entwickelte die britische «Coventry University» gemeinsam mit der FPT Motorenforschung AG ausserdem ein ausgeklügeltes Temperaturmanagementsystem für das Pilot-Modul. Sensoren, die direkt in den Zellen eingebettet sind, überwachen die Temperatur innerhalb der Batterie in Echtzeit. Ein eigens dafür entwickelter Algorithmus kann die Zelle dann immer genau so schnell laden, dass sie nicht durch Überhitzung beschädigt wird.
Die beteiligten Industriefirmen konnten für die Neuentwicklungen aus «SeNSE» mehrere Patente anmelden, Pilotproduktionsanlagen bauen und Investorengelder sichern sowie ihr erworbenes Wissen in weitere Batterietechnologien einfliessen lassen. Die Chemiefirma Huntsman hat den Leitzusatz, der in den «SeNSE»-Elektroden zum Einsatz kam, sogar bereits auf den Markt gebracht, wo er nun Batterieherstellern zur Verfügung steht.
