Die Vorgaben hinsichtlich der Sicherheit und Anforderungen an die Lebensdauer der Batterie verlangen nach neuen, verbesserten und signifikant veränderten Materialien. Die größten Chancen zu einer naheliegenden technologischen Gesamtlösung werden der Lithium/Schwefel-Technologie eingeräumt.
Von den weitreichenden Einsatzgebieten Lithium-basierter Verbindungen und Produkte wird gegenwärtig nur etwa ein Viertel der weltweiten Erzeugung in der Batterie-Industrie eingesetzt; dennoch sind Lithium-Ionen-Batterien in aller Munde, wenn von diesem Leichtmetall die Rede ist, zumal sie auch als die gegenwärtig am besten geeignete Technologie für mobile und stationäre Energiespeicheranwendungen betrachtet werden. Somit stehen sie im Mittelpunkt der Diskussionen hinsichtlich einer zukünftigen Elektromobilität mit den entsprechenden Erwartungen.
Ausgehend von den momentan zugänglichen Batterie-Typen, die vielfältige Materialmischungen und unterschiedliche Komponenten enthalten, werden neue Varianten benötigt, um die Anforderungen hinsichtlich Energiedichte zu erfüllen, die vereinfacht als Reichweite in automobilen Anwendungen oder als Versorgungsdauer bei stationären Speichern ausgedrückt werden kann. Für Chemetall als dem weltweit führenden Hersteller von Lithium-Verbindungen bedeutet das, flexibel auf neue Anforderungen zu reagieren und bereits in einem frühen Stadium der Entwicklung sich für neue Märkte und Anwendungen zu öffnen.
In diesem Beitrag werden die verschiedenen Anforderungen skizziert, die in der gegenwärtigen Situation für Rohstoffhersteller gestellt werden; ausgehend davon werden auch Chancen, die neue Technologien beinhalten, demonstriert und anhand der Lithium-Schwefel-Technologie verdeutlicht, zu welchem Zeitpunkt Entwicklungsarbeiten geleistet werden müssen, die erst in mehreren Jahren zu einem Produkt führen.
Es gibt verschiedene Ansätze, um bei einer gegebenen Batterie-Geometrie die Speicherdichte, ausgedrückt in Wh/kg oder Wh/l, je nachdem, ob man die gravimetrische oder volumetrische Skala vor Augen hat, durch stufenweise Verbesserungen zu steigern. Ein Ansatzpunkt sind sogenannte Hochvolt-Systeme, wobei sich der Begriff ‚Hochvolt’ auf die Potentiallage des Kathodenmaterials bezieht und zur Steuerung der Batteriespannung eingesetzt wird. Ziel ist es, bei gleicher Kapazität der eingesetzten Materialien (physikalisch gesprochen: bei gleicher Zahl von Ladungsträgern) die Gesamtenergie durch eine erhöhte nutzbare Spannung zu steigern. Hochvolt-Materialien werden zwar immer noch als Zukunftstechnologie angesehen, jedoch sind sie gleichzeitig das Material, das anwendungstechnisch am weitesten fortgeschritten ist. Gegenwärtig werden gradierte Nickel-Mangan-Cobaltoxide sowie Cobalt-Mangan-Phosphate mit unterschiedlichen Stöchiometrien intensiv erforscht und bereits im Pilotmaßstab produziert.
Aus Sicht der Rohstofflieferanten sind keine grundlegend neuen Produkte erforderlich, jedoch besteht für eine groß-skalige Produktion von neuartigen Kathodenmaterialien mit hoher Leistung der Bedarf nach geeigneten Ausgangsmaterialien, bei denen gleichzeitig eine nachhaltige Versorgung gesichert ist: Hochqualitative Rohstoffe weisen eine klar definierte und vergleichsweise enge Teilchengrößenverteilung auf. Angepasste Trockenprozesse bei der Herstellung der Ausgangsmaterialien (Lithium-Carbonat, Lithium-Hydroxid) gewährleisten einheitliche und klumpenfreie Materialien. Diese Materialien werden je nach Prozessführung im letzten Schritt der Kathodenpulver-Produktion in einem thermischen Prozess zur Insertion des Lithiums eingesetzt.
Um eine signifikante Verkürzung der Prozesszeiten zu erreichen, sind die oben bereits erwähnten hohen Qualitätsansprüche von äußerster Wichtigkeit und stellen die gegenwärtig beste Entwicklung von Rohstoffen dar. Angepasste Rohstoffe bieten gleichzeitig die Möglichkeit, weitere Kostenfaktoren wie beispielsweise zusätzliche Mahlschritte, die bei größeren oder inhomogenen Teilchen nötig sind, einzusparen.
Das wichtigste Ziel bei der Entwicklung von neuen Batterie-Generationen ist eine signifikante Erhöhung der Energiedichte; hierzu stellen metall-basierte Technologien momentan die aussichtsreichste Entwicklungsrichtung dar. Gegenwärtig wird metallisches Lithium nur in Primärbatterien eingesetzt, die keine Möglichkeit zur Wiederaufladung aufweisen.
Die größte Herausforderung stammt dabei von der ungleichmäßigen Abscheidung von Lithium während des Ladevorgangs: Das abgeschiedene Material kann Dendriten ausbilden, die in der Lage sind, den Separator zu durchdringen und somit zu Kurzschlüssen und dem Ende der Zell-Lebensdauer führen. Hinsichtlich der Betriebssicherheit stellen diese Dendriten gerade für die Batterie ein ernsthaftes Problem dar, da das Versagen einer Zelle meist zu einem Versagen des ganzen Batterie-Packs führt.
Diese Betrachtung macht deutlich, dass die Vorgaben hinsichtlich der Sicherheit und Anforderungen an die Lebensdauer der Batterie nach neuen, verbesserten und signifikant veränderten Materialien verlangen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind noch grundlegende Entwicklungsarbeiten nötig, was die Anwendungen im täglichen Leben erst in der nächsten Dekade wahrscheinlich machen. Das Umdenken in der Technologie-Entwicklung hat naturgemäß einen starken Einfluss auf die Nachfrage nach neuen und angepassten Produkten und integrierten Rohprodukten. Bei intensiver Betrachtung der Anforderungen und der noch offenen Entwicklungsprobleme werden der Lithium/Schwefel-Technologie gegenwärtig die größten Chancen zu einer vergleichsweise naheliegenden technologischen Gesamtlösung eingeräumt.
Für die Hersteller von Rohstoffen sind Innovationen in allen Bereichen gefragt: Es werden sowohl neuartige Anoden- und Kathodenmaterialien benötigt als auch werden die gegenwärtig eingesetzten Separatormaterialien durch neue Ansätze abgelöst. Je nach Produktionslösung, also der Fertigung der Zellen im entladenen oder geladenen Zustand, wird auf der Kathodenseite ein Schwefel-Kohlenstoff-Komposit und auf der Anode metallisches Lithium (geladener Zustand) oder Lithiumsulfid auf der Kathode mit unbeladener Anode eingesetzt. Für den Material-Hersteller bedeutet dies einen Paradigmenwechsel bei den eingesetzten Materialien und signifikante Aufgaben für die jeweiligen Entwicklungsabteilungen.
Zusammengefasst lässt sich sagen, dass neue Technologien nach einem angepassten Produktportfolio verlangen. Chemetall forscht aktiv an neuen Materialien und treibt seine Bemühungen in diesem Bereich stetig voran. Auf diese Weise ist das Unternehmen bereits heute auf die nächsten Entwicklungen vorbereitet und kann adäquat auf neue Herausforderungen reagieren.
Dr. Christoph Hartnig, Thomas Krause, Chemetall GmbH, Frankfurt/M.
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