Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
Alternative Materialien und Methoden für Energiespeicher
Nachhaltige Batterietechnologien gewinnen stetig an Relevanz und sind für eine kostengünstige, umweltfreundliche und ungefährliche Technologie unverzichtbar. Aufgrund des wachsenden Umweltbewusstseins stehen nachhaltige Fertigungsprozesse im Fokus. Darüber hinaus können aufgrund von Ressourcenknappheit von Lithium nicht alle Anwendungsfelder durch marktführende Lithium-Ionen-Batterien (LIB) abgedeckt werden, es erfordert alternative Batteriezelltechnologien, wie Zink- und Natrium-basierte Systeme.
Durch die Ausweitung der Batterieproduktion in Deutschland steigen die Rohstoffbedarfe für Lithium, Kobalt und andere Metalle und verschärfen damit die ökologischen Risiken der Rohstoffgewinnung. Besonders durch die Ressourcenknappheit und den CO2-Footprint muss die gesamte Wertschöpfungskette vom Material über die Fertigungstechnik bis zur effizienten Batterienutzung und dem Recycling betrachtet werden.
Umweltschonende Zellproduktion
Nach aktuellem Stand werden bei der Zellproduktion besonders für die Elektrodenfertigung von Lithium-Ionen-Batterien äußerst gesundheitsschädliche Lösemittel verwendet, die in einem energieaufwendigen Prozess zurückgewonnen werden müssen. Mit dem Einsatz von ausschließlich wasserbasierten Lösemitteln, die eine effizientere Trocknung ermöglichen, oder durch die Umstellung auf einen lösemittelfreien Fertigungsprozess, der keinen Trocknungsschritt erfordert, können Investitions- und Betriebskosten reduziert werden. Außerdem wirken sich diese Methoden positiv auf die CO2-Emissionen aus.
Zink- und Natrium-Ionen-Systeme werden wichtiger
Die Lithium-Ionen-Technologie stellt in diversen Varianten u. a. den Stand der Technik in den heutzutage stark nachgefragten Bereichen Unterhaltungselektronik und Elektromobilität dar. Dennoch sind die globalen Reserven des Alkali-Metalls begrenzt und der Abbau ist kostspielig und wenig umweltschonend. Zudem benötigen Lithium-Batterien aktuell für die Elektroden Kobalt und Nickel – Metalle, die ebenfalls unter problematischen Bedingungen abgebaut werden bzw. giftig sind.
Alternative Technologien, die günstig, nichtgiftig und eine hohe Sicherheit mit sich bringen, sind daher unabhängig von dessen Anwendung von übergeordnetem Interesse. Alternativen sind z. B. Zink-Ionen- und Natrium-Ionen-Systeme. Diese Metalle sind ausreichend und leicht verfügbar, die Systeme benötigen weder Kobalt noch Nickel und die notwendigen Fertigungsprozesse können auf die gängige Batterieproduktion übertragen werden.
Online-Analyse des Batteriezustands
Ein weiterer wichtiger Beitrag zur Nachhaltigkeit besteht in einer angepassten Betriebsstrategie für die Energiespeicher. Dies bedingt neue Methoden zur Online-Bestimmung des Gesundheitszustandes der Batteriezellen, die für einen optimalen und langlebigen sicheren Betrieb notwendig sind. Hier bieten dynamische Impedanzspektroskopie sowie datenbasierte Analyseverfahren mithilfe von KI-Methoden großes Potenzial.