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Materials Center Leoben entwickelt mit Varta effizientere Batterien

18.11.2020

Das Materials Center Leoben Forschung GmbH (MCL) beschäftigt sich in Zusammenarbeit mit der in Graz ansässigen Varta Micro Innovation GmbH mit Lösungen bei zukünftigen hocheffizienten und industrierelevanten Lithium-Ionen-Batterien. Die Anforderungen an Energiespeicher - ohne die Energiewende nicht gelingen kann - sind mannigfaltig: Kraft muss möglichst effizient gespeichert werden können und eine Vielzahl von Lade- und Entladezyklen möglich machen.

Die Zwischenspeicherung von Energie aus grünen Energiequellen wie Sonne oder Wind nutzt hauptsächlich die Lithium(Li)-Ionen-Batterie basierte Technologie. Die Ladeintervalle dabei werden aber immer kürzer.

Eine wichtige Komponente innerhalb der Lithium-Ionen-Batterie stellt neben der Kathode die zumeist aus Grafit bestehende Anode dar. Hinsichtlich hoher Kapazität und Kosteneffizienz ist Silizium eine sehr gute Alternative. Es hat eine ungefähr zehnfach größere spezifische Kapazität als Grafit, gilt als ein kostengünstiges Material und ist nicht toxisch. Aber Silizium zeigt während des Ladevorgangs eine Volumenvergrößerung um bis zu 300 Prozent. Diese Vergrößerung erzeugt mechanische Spannungen, die zu Rissen innerhalb der Anode führt und die elektrische und Ionenleitfähigkeit negativ beeinflusst. Deshalb gilt es, die Vorteile von Silizium für kommende Li-Ionen Batterie-Generationen zu nutzen und die bestehenden Nachteile zu verringern.

Multidisziplinärer Ansatz

Zur Lösung setzt man auf einen multidisziplinären Ansatz, wie am Freitag in einer Aussendung mitgeteilt wurde. Das MCL und Varta Micro Innovation GmbH sind seit vier Jahren im Rahmen eines internationalen Konsortiums federführend am Thema "Entwicklung von hoch effizienten Si-basierten Li-Ionen Batterien". Der Fokus liegt dabei auf industrieller Umsetzung. Dazu wurde ein von der EU-H2020 gefördertes Projekt mit dem Titel "Silicon based materials and new processing technologies for improved lithium-ion batteries" - SINTBAT im heurigen Jahr erfolgreich abgewickelt. Ein weiterführendes EU-Projekt mit dem Titel "Ecologically and Economically viable Production and Recycling of Lithium-Ion Batteries" - ECO2LIB - Projektlaufzeit vier Jahre - wurde mit Projektstart 2020 innerhalb der sehr kompetitiven EU-H2020 Förderplattform bewilligt. Ziel des Folgeprojektes ist es, die im SINTBAT begonnenen Arbeiten weiterzuführen und eine nächste Generation von Si-basierten Li-Ionen Batterien mit verbesserten wirtschaftlichen als auch umweltrelevanten Kennzahlen auf den Markt zu bringen.

Am MCL beschäftigt man sich seit einigen Jahren im Rahmen eines interdisziplinären Forscherteams mit der Charakterisierung von Materialien mittels 3D-Methoden sowie computergestützter Auswertung der generierten Bilddaten. Die Struktur der Anode bis auf Mikro- und Nano-Skalen (kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares, Anm.) soll materialwissenschaftlich so gestaltet werden, dass es zu verbesserten elektro-chemischen Eigenschaften hinsichtlich Energiedichte, Kapazität und Lebensdauer der Li-Ionen Batterie kommt. Dazu werden Abläufe zur Charakterisierung der Li-Ionen Zellen, die sich in direktem Austausch mit der Produktion befinden, entwickelt. Unterstützt wird dies durch 3D-bildgebende Verfahren. Dabei werden Tomographie-Methoden im Labor und bei Großforschungseinrichtungen wie der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble entwickelt und angewandt.

Bildanalysealgorithmen entwickelt

Am MCL werden zudem Bildanalysealgorithmen entwickelt, um einen möglichst hohen Grad an materialwissenschaftlicher Information aus den Bilddaten generieren zu können. Die dabei gewonnenen Informationen fließen in die Entwicklung bei Varta ein und werden mit den elektro-chemischen Untersuchungen korreliert. So sollen verbesserte Design-Richtlinien entstehen, die die Produktion von Anodenmaterialien über den Stand der Technik ermöglichen.

Die durchgeführten Arbeiten wurden beim "Innovation Radar" der Europäischen-Kommission ausgezeichnet. Teile der dazu erzielten Ergebnisse wurden kürzlich in der qualitativ hochwertigen wissenschaftlichen Fachzeitschrift Communications Chemistry, einem Open Access Journal der Nature Research Publishing Group, veröffentlicht.

Service: Nähere Informationen unter http://www.mcl.at abrufbar.

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