Batterien als Schlüsselelemente auf dem Weg zur Klimaneutralität

Foto: © Ch. Jungwirth

Martin Wilkening, Manfred Schweinzger

Von der Grundlagenforschung zu modernen Anwendungen

Batterien sind aus unserem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken. Als nachhaltige Energiespeichersysteme werden insbesondere Li-Ionenbatterien eine entscheidende Rolle bei der Verminderung unseres CO2-Ausstoßes einnehmen. Neue Systeme mit festen, keramischen Li-Ionenleitern setzen auf hohe Energiedichten, Temperaturstabilität und Sicherheit. Ihr Anfang geht bis in die Ölkrise zu Beginn der 70er Jahre zurück.

Die Nachfrage nach Batterien steigt zunehmend und das hat Gründe (Abb. 1). Die Verbrennung fossiler Energieträger, wie z. B. Kohle oder Gas, ist maßgeblich für die Erhöhung des CO2-Anteils in unserer Atmosphäre verantwortlich. In den Bereichen Verkehr, Stahlindustrie und auch in der Bauindustrie werden jährlich große Mengen CO2 in die Atmosphäre entlassen (Abb. 1). Neben CO2 wird Methan infolge intensiver Landwirtschaft zu einer weiteren Belastung für unsere Atmosphäre. Insbesondere Länder wie China und die USA tragen zu einem erheblichen Anteil an dieser CO2-Belastung bei. Pro Jahr sind es etwa 30 Milliarden Tonnen CO2, die in die Erdatmosphäre entlassen werden (Abb. 1). Und dies bleibt nicht ohne gravierende Folgen. Etwa 70 % der kurzwelligen Sonnenstrahlung gelangen auf die Erdoberfläche, die sich dadurch erwärmt und langwellige Infrarotstrahlung emittiert. Gase wie CO2 und Methan verhindern aber die Abstrahlung ins Weltall. CO2 ist ein lineares dreiatomiges Molekül, das mehrere Schwingungsmoden aufweist und Strahlung bestimmter Frequenz in Form von Schwingungs-, also Bewegungsenergie, speichern kann. Bei der erneuten Umwandlung von Bewegungsenergie in Wärmestrahlung wird jedoch etwa die Hälfte der Wärmestrahlung wieder in Richtung Erdoberfläche abgegeben. Bei Methan, CH4, ist dies ebenso, aber die Auswirkungen sind noch viel größer. Dieser Effekt, der zu einer merklichen Erwärmung der Atmosphäre führt, wird Treibhausgaseffekt genannt und ist bereits seit 1824 bekannt; 1896 gelang es Svante Arrhenius diesen auch quantitativ

Abb. 1: Globale Nachfrage nach Li-Batterien und CO2 Emissionen nach Ländern (2018 ohne China und 2019 mit China). Nur etwa zehn Länder sind für fast zwei Drittel des CO2 Gesamtausstoßes verantwortlich. 3C meint Computing, Communication und Consumer. EV: electric vehicle. Quelle: statista, https://de.statista.com

nachzuweisen. Obwohl der Anteil an CO2 in der Atmosphäre im Vergleich zu anderen Gasen gering ist, führt die anthropogene CO2-Erhöhung zu einer dauerhaften globalen Erwärmung von einigen Grad Celsius, auf die unser Ökosystem sehr empfindlich reagiert. Die für uns stark bedrohlichen Reaktionen können erst Jahre oder Jahrzehnte später spürbar werden, da CO2-Speicherquellen, wie z. B. Ozeane, eine lange Retentionszeit haben. Um diesem globalen Effekt entgegenzuwirken, müssen wir jetzt handeln und sehr vorausschauend sein. Da unser Energiebedarf in den letzten Jahren stetig gestiegen ist (Abb. 2), sind wir darauf angewiesen nachhaltige Energiewandler zu entwickeln, die z. B. Sonnenenergie oder Windenergie möglichst effizient in elektrische Energie umwandeln. Es ist oftmals nötig, diese Energie zu speichern, da sie aus intermittierenden „Quellen“ stammt. Neben z. B. physikalischen Speichern bieten vor allem elektrochemische Energiespeicher massive Vorteile in puncto Flexibilität, Größe, Energie- und Leistungsdichte. Die bekanntesten unter ihnen sind Lithium-Ionenbatterien, für deren Entwicklung und Erforschung 2019 der Nobelpreis für Chemie an die Chemiker M. S. Whittingham (USA), J. B. Goodenough (USA), und A. Yoshino (Japan) verliehen wurde. Li-Ionenbatterien, wie wir sie heute mit ihren vielfältigen Materialien und in diversen Bauweisen und Typen kennen, haben unsere Art zu kommunizieren und weltweit Informationen auszutauschen völlig verändert. Sie werden zu einem erheblichen Maße dazu beitragen, die elektrische Energie für Fahrzeuge bereitzustellen und den Verkehrssektor zu revolutionieren. Diese Anfänge können wir bereits jetzt spüren. Der Weg zu hochleistungsfähigen Ionenbatterien war lang und nicht ohne Rückschläge. Heute existieren viele verschiedene Varianten, die auf leicht unterschiedlichen elektrochemischen Umwandlungsprozessen beruhen. Das Prinzip und der Aufbau einer klassischen und damit typischen Lithium-Ionenbatterie sind in Abb. 3 dargestellt. Dieser Aufbau ähnelt stark den ersten LiIonenbatterien, die Sony 1991 kommerzialisierte.

Sie besteht im Wesentlichen aus drei Bereichen. Die positive Kathode beherbergt ein Aktivmaterial, das ein redoxaktives Übergangsmetallion (z. B. Fe2+/3+, Co3+/4+) enthält. Gängige Aktivmaterialien sind z. B. Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2, LiFePO4 oder Li-haltige Mn-Spinelle. Dieser Bereich wird durch eine elektronisch isolierende Zone vom Anodenbereich abgetrennt. In heutigen Zellen mit flüssigen Elektrolyten verhindert ein Kunststoffse parator, der z. B. mit einer dünnen Keramikschicht versehen ist, den elektrischen Kurzschluss. Auf der Anodenseite wirkt Graphit als Anodenmaterial, zu dem oftmals ein kleiner Volumenanteil von Silizium hinzugefügt wird,

um die Energiedichte der Batterie zu erhöhen. Beide Bereiche, die positive und die negative Elektrode sind mit elektrischen Leitungen über die Spannungsquelle oder den Verbraucher miteinander verbunden. Während des Ladevorganges eines Akkumulators fließen Elektronen zur Anode und treffen sich dort mit den positiv geladenen Li-Ionen, die das Kathodenmaterial verlassen haben, den ionenleitenden Elektrolytbereich passiert haben und sich in Graphit einlagern. Graphit ist ein sogenanntes EinlaAbb. 2: Weltweiter Energiebedarf, der das nachhaltige Speichern gerungsmaterial, in dessen Schichten elektrischer Energie aus regenerativen Quellen nötig werden Li-Ionen hochreversibel insertiert lässt. Quelle: D. Larcher, J. M. Tarascon, Towards greener and werden können. Die finale chemische more sustainable batteries for electrical energy storage, Nature Zusammensetzung auf der AnodenChemistry, 7, 2015, 19. seite ist LiC6, ein goldschimmerndes Insertionsprodukt. Auf der Kathodenseite wirkt LixCoO2 (x > 0.5) als Insertionswirtsgitter und lässt ebenfalls einen hoch reversiblen Ein- und Ausbau von Li+ bis zur Zusammensetzung x = 1 zu. Während der Li-Auslagerung wird Li+ und ein Elektron entfernt, so dass sich der Redoxzustand des Übergangsmetallions Co von +3 auf +4 erhöht. Die Anfänge zu derartigen Insertionsmaterialien für Batterien gehen bis in die 70er Jahre zurück. Whittingham arbeitet in dieser Zeit für die Exxon Research & Engineering Company. Konfrontiert mit der Ölkrise ist er damit beschäftigt, die elektrochemische Interkalation von Li-Ionen in das schichtstrukturierte Übergangsmetallsulfid TiS2 zu unAbb. 3: Zum Prinzip und Aufbau einer typischen LithiumIonenbatterie, die unterschiedliche elektrochemische Potentiale in den Kathoden- (z. B. LixCoO2) und Anodenmaterialien (z. B. Graphit) ausnutzt, um elektrische Energie zu speichern. Abbildung adaptiert nach J. Jarnestad, Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften.

tersuchen, um einen Energiespeicher zu entwickeln, der unabhängig von fossilen Brennstoffen ist. Die damalige TiS2-Zelle hat Li-Metall als Anodenmaterial verwendet und konnte nur eine Spannung von etwas mehr als 2 V liefern. Mit Goodenoughs Lithiumkobaltoxid konnte dieser Wert auf fast 4 V erhöht werden. Yoshino arbeitete an einer verbesserten Anodenseite und trug damit wesentlich zum kommerziellen Erfolg der Li-Ionenbatterie bei, die heute nahezu alle anderen älteren Batterietypen, wie z. B. Nickel-Metallhydridbatterien, verdrängt hat.

Li-Ionenbatterien arbeiten im Bereich des sogenannten elektrochemischen Nichtgleichgewichtes; in operando gebildete passivierende Schichten stabilisieren die einzelnen Komponenten hinsichtlich Degradation. Die aktuelle Forschung versucht einerseits die Energiedichten immer weiter zu erhöhen und andererseits eine ausreichende Sicherheit der Batterien zu gewährleisten. Konzepte wie Li-Schwefelbatterien oder LiSauerstoffbatterien zeigen den Weg zu hohen Energiedichten auf. Der Austausch der entflammbaren flüssigen, aprotischen Elektrolyte in der klassischen Li-Ionenbatterie durch feste Keramiken sorgt derzeit für das mitunter größte Forschungsinteresse. Solche Festkörperbatterien mit LiMetall als Anode könnten sicherer sein und auch bei höheren Temperaturen sorglos betrieben werden. Es sind aber noch Degradationsprozesse an den Grenzflächen zwischen Elektrolyt und den Aktivmaterialien zu erforschen, um „stabile“ Systeme bereitzustellen. Außerdem werden fieberhaft neue keramische Festelektrolyte entwickelt, um ausreichend hohe Li-Ionenleitfähigkeiten zu erzielen. Im Allgemeinen bewegen sich (solvatisierte) Li+-Ionen in flüssigen Medien weitaus schneller als in Festkörpern. Dennoch gelang es in den letzten 10 Jahren sulfidische Materialien zu entwickeln, die Li+-Leitfähigkeiten aufweisen, die denen der flüssigen Analoga gleichen.

Heute gibt es Li-Ionenbatterien in allen möglichen Facetten und für die unterschiedlichsten Anwendungsfelder, seien dies der Kommunikationsbereich, die Luftfahrt oder die Medizintechnik, die Nachfrage wächst stetig (Abb. 3). Die Entwicklung von Kleinst- und Mikrobatterien stellt dabei eine ebenso große Herausforderung dar wie die Entwicklung von großformatigen Batterien für E-Fahrzeuge, letztere gehören sicherlich zur Königsdisziplin der Batterieentwickler. Ausgeklügelte Batterieüberwachungs- und -kontrollsysteme messen Betriebstemperaturen und regeln die Spannungsversorgung, um Alterungsprozesse zu verlangsamen und stabile Lade- und Entladevorgänge sicherzustellen.

Im Bereich der Dünnfilm- oder Mikrobatterien, die z. B. kleine Sensoren oder Kommunikationsgeräte für das sogenannte Internet der Dinge mit elektrischer Energie versorgen, sind in den letzten Jahren ebenfalls erstaunliche Fortschritte erzielt worden. So können über ausgeklügelte Assemblierungs- und Herstellungsverfahren Li-Vollzellen mit Materialien konzipiert werden, deren Kristallstrukturen und Morphologien perfekt aufeinander abgestimmt sind. In 3D-Mikrobatterien greifen die Aktivmaterialien z. B. fingerartig ineinander und sorgen somit für eine möglichst hohe und homogene elektrische Energieverteilung.

Die Firma TDK Electronics mit ihrem Standort Deutschlandsberg hat mit ihrem CeraChargeTM den weltweit kleinsten, mit klassischer SMDTechnologie verarbeitbaren LithiumIonen-Akkumulator bestehend aus einem keramischen Vielschicht-Festkörper auf den Markt gebracht (Abb. 4). Nachdem der CeraCharge TM aus gesinterter Keramik besteht, ist er besonders sicher: Er kann weder in Brand geraten noch explodieren, und auch die Gefahr, dass Flüssigkeit ausläuft, ist nicht gegeben. Um Kapazität und Spannung zu erhöhen, lassen sich mehrere dieser Akkumulatoren parallel und in Serie schalten. Dadurch eignen sie sich für viele Anwendungen unter anderem des Internet of Things. Die Entwicklung erfolgte in enger Kooperation mit der Zentralen Forschung des TDK-Konzerns in Tokyo.

TDK hat für diese Entwicklung 2019 in Österreich einen der höchsten Preise für Innovation erhalten. Das Bundesministerium für Digitalisierung und Wirtschaftsstandort zeichnete den CeraCharge™ mit dem Sonderpreis VERENA aus, der im Rahmen der jährlichen Verleihung des Staatspreises Innovation vergeben wird. Der Preis würdigt Unternehmen, die in den Bereichen Energieeffizienz, erneuerbare Energien und E-Mobilität innovative Projekte mit Universitäten, Fachhochschulen oder anderen Forschungseinrichtungen umgesetzt haben. Darüber hinaus wählten führende internationale Verlagshäuser den CeraCharge zum Produkt des Jahres: In Japan gewann das Produkt den Superior Products and Services Award for Excellence von Nikkei und in China den World Electronics Achievement Award von Aspencore.

Alle Li-Batterien, egal in welchem Anwendungsfeld sie eingesetzt werden, haben eines gemeinsam: Sie benötigen Lithium und, im Falle von Typen mit Ni- bzw. Co-haltigen Kathodenmaterialien, einen Zugang zu diesen nicht so häufig in der Erdkruste vertretenen Elementen, die meist in geopolitisch nicht besonders stabilen Regionen zu finden sind. Cobaltverbindungen sind zudem toxisch und sein Einsatz in Batterien soll drastisch reduziert werden. Lithiumeisenphosphat stellt eine Alternative dar, da es aus leicht verfügbaren chemischen Elementen aufgebaut ist; es lässt aber nicht ganz so hohe Entladespannungen zu. Die weltweit größten

Abb. 4: Links: Innerer Aufbau einer keramischen Mikrobatterie (CeraChargeTM von TDK-Electronics). Rechts: Keramische Mikrobatterien gelötet auf einer Leiterplatte (TDK); © Foto: Ch. Jungwirth.

Li-Vorkommen liegen in Australien, Argentinien, China und Chile mit allein 7,5 Millionen Tonnen Reserven (Stand 2016).

Wir müssen bei der Beschaffung der Rohmaterialien für Batterien achtsam sein und nachhaltig handeln. Die gleichzeitige Entwicklung von cleveren Recyclingstrategien geht einher mit der Etablierung einer echten Kreislaufwirtschaft, um uns vor ungewollten und versteckten CO2Emmissionen zu schützen, die z. B. bei der Herstellung von Batterien auftreten. Nur dann wird es uns auch gelingen den CO2-Fingerabdruck einer Batterie, der nur während ihres aktuellen Betriebes null ist, auch bezogen auf ihren gesamten Lebenszyklus zu minimieren. Dieser Zyklus beinhaltet die Beschaffung der Rohmaterialien, die Veredelung der Materialien zu Komponenten mit bestimmten Funktionen, ihre Assemblierung, den Betrieb der Batterie inklusive ihres sogenannten second life, und die Wiederverwendung wertvoller Rohstoffe.

Als second life bezeichnet man das zweite Leben einer Batterie aus EFahrzeugen, die ihren zweiten Einsatz in z. B. stationären elektrischen Speichern finden. Üblicherweise werden Batterien ausgemustert, deren Entladekapazität durch Alterungsprozesse auf weniger als 80 % gesunken ist. In stationären Speichern können diese Zellen aber noch jahrelang eingesetzt werden, da das Volumen von solchen Stationen nicht wie im E-Fahrzeug stark limitiert ist und auch die Anforderungen an Entladespannung und Energiedichte weniger hoch sind. Insbesondere Ionenbatterien mit dem viel häufigeren Element Natrium als Ladungsträger bieten sich für diese Art der stationären Energiespeicherung an. Titanate, wie z. B. TiO2 als nanokristallines Anodenmaterial, stellen ebenfalls attraktive Materialalternativen dar. Nicht zuletzt wird intensiv an der Nutzung von nachhaltigen organischen, redoxaktiven Materialien geforscht, um immer umweltfreundlichere Alternativen zu entwickeln.

Batterien für E-Fahrzeuge werden in entscheidendem Maße dazu beitragen, zumindest den CO2-Beitrag des Verkehrssektors grundsätzlich zu reduzieren. Obwohl die Produktion von Batteriezellen bis heute nach wie vor in Asien ihren Mittelunkt hat, gibt es zurzeit keine wirtschaftliche Alternative für elektrochemische Energiespeicher, die auf Li als Ladungsträger setzen. Der Gesamtwirkungsgrad von Speichern mit Wasserstofftechnologie ist weitaus geringer und es gibt keine überzeugenden Konzepte für die nachhaltige Gewinnung von Wasserstoff, seiner Speicherung und seines Transportes vom Ort der Gewinnung bis zu seiner Einspeisung in mobile Speicher über tausende von Kilometern. Glücklicherweise existieren jedoch seit vielen Jahren leistungsfähige Batterien und es gibt ein auszubauendes Stromnetzwerk, so dass Ladestationen flächendeckend in Betrieb genommen werden können (Abb. 5).

Die Batterien von E-Autos können zu Hause geladen werden. Dies ist der Erfolg jahrzehntelanger Grundlagenforschung zu neuen Materialien und elektrochemischen Prozessen, der seinen Anfang u. a. mit den anwendungsorientierten Studien von Stanley Whittingham nahm. An keinem anderen Beispiel zeigt sich die enge Verzahnung von anwendungsnaher Forschung mit der reinen, vielleicht sogar zunächst zweckfreien, Grundlagenforschung, deutlicher, die an unseren Universitäten nicht vernachlässigt werden darf. Grundlagenforschung, getrieben von kreativer Neugier die Natur zu erkunden und zu verstehen, bildete schon immer die Basis für unsere gesellschaftliche technische und kulturelle Entwicklung.

In den kommenden Jahren ist mit einer weiteren Reduktion der Herstellungskosten für Batterien zu rechnen, umweltfreundliche Materialien werden Einzug halten, Recyclingkonzepte werden erste Früchte tragen und das Vertrauen in E-Fahrzeuge (Abb. 4), insbesondere wenn diese mit Festkörperzellen ausgestattet sind, wird stetig zunehmen. Batterien sind bereits Schlüsselelemente für klimaneutrale Industrienationen. Schwellenländer und Drittländer müssen davon genauso stark profitieren und in die ‚Kreislaufwirtschaft Batterie‘ partnerschaftlich mit eingebunden werden.

Abb. 5: Ausbau der Ladeinfrastruktur in Deutschland in den Jahren 2012 bis 2020. Anzahl der Neuzulassungen an Elektrofahrzeugen in ausgewählten europäischen Ländern in den Jahren 2019 und 2020. Quelle: statista, https://de.statista.com

Univ.-Prof. Dr. Martin Wilkening

Leiter des Institutes für Chemische Technologie und Materialien an der TU Graz

Autoren:

Univ.-Prof. Dr. Martin Wilkening

Leiter des Institutes für Chemische Technologie und Materialien an der TU Graz Martin Wilkening leitet das Institut für Chemische Technologie und Materialien an der TU Graz und ist seit 2011 Professor für Physikalische Festkörperchemie moderner Energiespeichersysteme. Von 2012 bis 2019 war er der Direktor des Christian-

Doppler Labores für Lithium-Batterien mit den Unternehmenspartnern AVL List, Infineon Technologies Austria und TDK. Wilkening hat 2005 in Hannover promoviert und sich 2012 im Fach Physikalische Chemie mit Arbeiten zu ultralangsamen Ionenbewegungen in Festkörpern habilitiert. Er ist Träger mehrerer wissenschaftlicher Preise, seine Arbeiten wurden u.a. mit dem ADUC-Jahrespreis der Gesellschaft Deutscher Chemiker ausgezeichnet. Seine Forschung beschäftigt sich mit den ionischen Transportprozessen in nanokristallinen Materialien für die Energiespeicherung.

Dr. Manfred Schweinzger

Leiter der Abteilung Corporate Research & Development der TDKElectronics GmbH & Co OG in Deutschlandsberg M a n f r e d Schweinzger leitet die Abteilung Corporate Research & Development von TDK-Electronics in Deutschlandsberg. Er beschäftigt sich seit über 30 Jahren mit elektrokeramischen Materialien. Nach einem Diplom in Biochemie wechselte er das Fach und begann eine Dissertation zum Thema „Induktiv gekoppelte Plasma Emissionsspektroskopie von keramischen Materialien“. Als Leiter des Analytiklabors, als Verantwortlicher für die keramische Prozesstechnik sowie der keramischen Pulverfertigung vertiefte er seine Kenntnisse auf dem Gebiet der Elektrokeramik. Er ist Co-Autor der Expertenstudie „Zukunftspotentiale von Hochleistungskeramiken“ (Herausgeber: Deutsche Keramische Gesellschaft; Verband der Keramischen Industrie e.V. und Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V.) und ist an mehreren Patenten und Patentanmeldungen beteiligt.

Dr. Manfred Schweinzger

Leiter der Abteilung Corporate Research & Development der TDKElectronics GmbH & Co OG in Deutschlandsberg

WING-digital

Sigrid Weller

WING-digital – The Show Goes On

Nachdem unsere mittlerweile etablierte und erfolgreiche Veranstaltungsreihe WING-digital auf regen Zuspruch unserer WING-Mitglieder gestoßen ist, konnte unser Präsident Dr. Gress seit der letzten WINGbusiness Ausgabe bereits drei weitere Veranstaltungen ankündigen bzw. die Teilnehmer begrüßen.

Im März referierte Dr. Ronald Gleich, Professor for Management Practice and Control an der Frankfurt School of Finance and Management, über das Thema „Controlling und Performance Measurement 2.0 – was sich jetzt ändern muss“. FH-Prof. Martin Tschandl, Mitglied unseres Präsidiums, moderierte durch die Veranstaltung und die aufschlussreiche Diskussion nach dem Vortrag. Die zweite Veranstaltung im März, moderiert von einem unserer Regionalkreisleiter Steiermark FH-Prof. Stefan Grünwald, drehte sich rund um das Thema „Data (Science) in Action: Von Daten zum Nutzen“. Im Rahmen der DigitalDialog Silicon Alps trugen hier Dr. Robert Ginthör, Know-Center GmbH, Dr. Alexander Stocker, Virtual Vehicle Research GmbH und DI Matthias Traub, DI Markus Streibl, Invenium Data Insights GmbH vor. Das Thema „Technikfolgenabschätzung und die Verantwortung der (Wirtschafts-) Ingenieure" wurde uns Wirtschaftsingenieurinnen und Wirtschaftsingenieuren durch den Vortrag von Prof. Gerhard Banse im Mai nähergebracht, moderiert von Prof. Ulrich Bauer, Vizepräsident WING. Prof. Dr. Gerhard Banse ist Altpräsident der Leibniz-Sozietät der Wissenschaften zu Berlin; ehemaliger Mitarbeiter am Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse des Karlsruher Instituts für Technologie.

Es werden weitere aufschlussreiche, für Wirtschaftsingenieurinnen und Wirtschaftsingenieure sehr interessante WINGdigital Veranstaltungen folgen. Informationen zu den nächsten Veranstaltungen erhalten Sie über unsere Newsletter Aussendungen, die Homepage und LinkedIn. Das WING-Team freut sich auf Ihre Teilnahme!

Haben auch Sie ein passendes Thema für eine WING-digital Veranstaltung dann schreiben Sie uns eine E-Mail (office@wing-online.at)!