Lithium-Ionen-Nachfolger: Akku-Forscher unter Zeitdruck

Ein Stück Kupferfolie von links, ein weißer Separator darauf, ein Stück Alufolie von rechts, ein weißer Separator darauf, eine Kupferfolie von links, und immer so weiter. Ganz gemächlich, Lage für Lage, baut der Automat einen Stapel auf. Er besteht aus mit Grafit beschichteten Kupfer-Anoden und Aluminium-Kathoden, die mit einer Legierung aus Nickel, Mangan, Lithium und Kobalt beschichtet sind – der Grundstock einer Batteriezelle.”Das ist meine Lieblingsmaschine”, sagt Marc Locke, Doktorand im Elektromobilitätslabor (E-Lab) der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) in Aachen. Seine Augen folgen der prozessorgesteuerten Choreografie in dem vor Staub geschützten Versuchsaufbau im Glaskasten.Locke und seine Kommilitonen können im E-Lab Batteriezellen von hoher Qualität herstellen; die jungen Forscher arbeiten an der Verbesserung der Zellchemie ebenso wie an Produktionsprozessen. Gerade testen sie einen Laser, der die frisch aufgetragene Grafitpaste auf der Anode im Handumdrehen trocknen kann – im Vergleich zu einem konventionellen Konvektionstrockner rechnen sie mit einer enormen Platz-, Zeit- und Energieeinsparung. “Die Versuche sind vielversprechend” , sagt Locke.Die neue Akku-Generation soll möglichst aus Europa kommenAn der RWTH, einer der renommiertesten Ausbildungsstätten für Ingenieure im Land, findet im Kleinen statt, was sich die deutsche Wirtschaft im Großen sehnlichst wünscht: bei der Elektromobilität führend zu sein. Marc Locke und seine Kommilitonen verschiedener Institute arbeiten hier zusammen an den Antrieben der Zukunft. Die jungen Männer und Frauen in grauen Kitteln und Schutzausrüstung wuseln zwischen schrankgroßen Apparaturen und blitzenden Maschinen herum, lassen Prozesse anlaufen und stoppen sie wieder, messen und korrigieren.Im Aachener E-Lab sind allein fünf Institute beheimatet, die eng zusammenarbeiten – und auch mit der Industrie kooperieren. “Es ist zwingend notwendig, dass wir in Deutschland eine Batteriezellenproduktion haben” , sagt Heiner Heimes, der Leiter des E-Lab. “Wir können es uns einfach nicht leisten, noch mehr Zeit zu verlieren.”Neue E-Motorroller 2019Heimes hat viel Vertrauen in die Fähigkeiten der Aachener Tüftler und Entwickler. Er sorgt sich aber, ob genug in Deutschland bleiben. Viele Absolventen würden von ausländischen Firmen gelockt, so Heimes. Sie werden den Wandel zur Elektromobilität mit Sicherheit begleiten – aber dass sie es an deutschen Standorten tun, als Mitarbeiter einheimischer Firmen, ist derzeit nicht sehr wahrscheinlich.Da hilft vielleicht auch nicht die eine Milliarde Euro, die Wirtschaftsminister Peter Altmaier der Branche als Anschub in Aussicht gestellt hat. Und nicht einmal die 44 Milliarden, die Volkswagen in die Entwicklung von Elektroautos und den Umbau der Werke in Emden, Hannover und Zwickau stecken will. Gut möglich, dass Aachen in seinen Instituten heute vor allem den Nachwuchs für die neue Konkurrenz aus China, Südkorea und den USA heranzieht.Die Batterieentwicklung steht am Scheideweg. Einerseits waren die Fortschritte bei der Lithium-Ionen-Batterie in den letzten Jahren riesig – von einer Generation zur nächsten ist ihre Energiedichte jeweils erheblich gestiegen; Preis und Gewicht sind deutlich gesunken. Andererseits stellt sich die Frage, wie weit die aktuelle Technologie noch ausgereizt werden kann oder ob schon die nächste die bisherige verdrängt. “Ich glaube, dass die Lithium-Ionen-Batterie entwicklungstechnisch noch nicht am Ende ist”, sagt Maximilian Fichtner vom Helmholtz Institut in Ulm, einer der führenden Forschungsstätten für Zellchemie. “Wir haben noch ein paar Optionen, aber es werden weniger.”Teaser Neue E-Roller 2019Elmar Degenhart, Vorstandschef des Autozulieferers Continental, sieht den Zeitpunkt für eine Batteriefertigung vor Ort erst dann gekommen, wenn der Technologiesprung von der Lithium-Ionen-Batterie zur Feststoffzelle, zum sogenannten Solid-State-Akku, vollzogen wird. In einigen Jahren, schätzt Degenhart, könnte es so weit sein. Momentan hält er den Einstieg in die Herstellung von Batteriezellen angesichts der gigantischen Investitionen noch für zu riskant: “Wer zu früh einsteigt, wird Milliarden verbrennen”, warnt er.Degenhart spricht aus, was die meisten Konzernchefs gern verschweigen. Kaum ein CEO will den Eindruck erwecken, er stehe bei einer neuen Entwicklung auf der Bremse – die gängige Floskel in der Autobranche lautet daher, dass der Elektromobilität die Zukunft gehöre.Bei Akkus kommt niemand an China vorbei12: Altmaier Deutsche Industrie darf bei Lithium nicht in Rückstand geraten – 242632a1f7a645e9 Die für diese Technologie notwendigen Batterien kommen heute jedoch überwiegend von südkoreanischen Konzernen und aus China. “Es ist ein asiatisch geprägter Markt, weil die Wurzeln der Batteriefertigung in der Unterhaltungselektronik liegen” , sagt Heiner Heimes. “Man hat dort bisher erfolgreich sehr günstige Produkte angeboten.” China und Südkorea haben sich überall dort strategisch aufgestellt, wo es für die Forschung, Produktion und Vermarktung von Batterien entscheidend ist. “Es besteht die Gefahr” , sagt Heimes, “dass man irgendwann keinen Zugang mehr zu den Zellen hat.”Beispiel Rohstoffe: Ein bislang unverzichtbarer Bestandteil der Batterien ist Kobalt, neben Lithium das entscheidende Element in modernen Batterien. Kobalt erhöht nicht nur ihre Energiedichte, was dazu führt, dass Zellen leistungsfähiger und kleiner werden. Kobalt steigert auch die Leitfähigkeit der Kathode. “Dadurch wird vieles besser” , sagt Batterieforscher Maximilian Fichtner. Sollen die Ladezeiten verkürzt und die Leistung der Batterie gesteigert werden, können Batteriehersteller auf Kobalt derzeit kaum verzichten.Kobalt hat aber auch erhebliche Nachteile. Es ist nicht nur gesundheitsschädigend – das Hauptproblem ist, dass der Großteil der weltweiten Kobaltvorkommen in der Demokratischen Republik Kongo lagert und dort unter teils schlimmen Bedingungen abgebaut wird. Unzählige Familien arbeiten im Kleinbergbau, in oft kaum gesicherten Stollen. Von den großen kongolesischen Minengesellschaften wiederum ist ein bedeutender Teil Partnerschaften mit chinesischen Kobalt-Produzenten eingegangen.Das Akku-Recycling muss besser werdenAkku erfinder Super Akku 13.05 Maximilian Fichtner sieht deshalb vor allem einen Weg, um die Rohstoffversorgung sicherzustellen: die Wiederverwertung von Batterien im großen Stil – was bisher noch nicht geschieht. “Kobalt ist ein wesentlicher Grund, warum man überhaupt Batterien recycelt”, sagt er. “Daran, dass die Chinesen die Hand auf den Rohstoffen haben, können wir nichts ändern. Wir müssen recyceln; das ist dann unsere Quelle. Dazu müssen wir die Recycling-Kapazität in den nächsten fünf bis zehn Jahren verzehnfachen.”Fichtner und seine Forscherkollegen arbeiten mit Nachdruck daran, durch eine neue Zusammensetzung der Zellchemie die Abhängigkeit vom Kobalt zu reduzieren. Das gelte erst recht für zukünftige Technologien wie die Feststoffbatterie. “Tatsache ist, dass wir dafür einen technischen Durchbruch brauchen” , sagt Fichtner. “Aber wir wissen noch nicht, ob uns die Natur den auch erlauben wird.”

Source:: Lithium-Ionen-Nachfolger: Akku-Forscher unter Zeitdruck

      

Lithium-Ionen-Nachfolger: Akku-Forscher unter Zeitdruck

Lithium-Ionen-Nachfolger: Akku-Forscher unter Zeitdruck