Auf dem Weg zu besseren Akkus für E-Autos

Das Ziel der EU, ab 2035 keine Neuwagen mit Verbrennungsmotor mehr zuzulassen, erfordert einen technologischen Quantensprung bei der Elektromobilität. Insbesondere die Leistungsfähigkeit der Batterien muss bis dahin verbessert werden, um E-Autos alltagstauglich zu machen und Vorbehalte auszuräumen. An diesem Punkt setzt das auf vier Jahre angelegte Projekt „SeNSE“ an, das vom EU-Förderprogramm „Horizon 2020“ finanziert wurde. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des Helmholtz-Instituts Münster (HI MS) haben gemeinsam mit zehn weiteren Forschungs- und Industriepartnerinnen und -partnern aus ganz Europa an zukunftsweisenden Lösungen gearbeitet. Ziel war es, neue Materialien und Technologien zu entwickeln, die innerhalb weniger Jahre den Weg in die Serienproduktion finden.

Die Verbesserungen betreffen alle Kernkomponenten einer Lithium-Ionen-Batterie. So gelang es den Forschenden beispielsweise, die Brennbarkeit des Elektrolyts – jener Flüssigkeit, die den Ionentransport zwischen den Elektroden ermöglicht –  zu reduzieren, ohne die für schnelles Laden relevante Leitfähigkeit einzuschränken. Dank neuer Ansätze war es zudem möglich, den Einsatz kritischer Rohstoffe wie Kobalt und Grafit zu verringern. In der Kathode findet sich nur noch halb so viel Kobalt, in der Anode wurde ein Teil des Grafits durch Silizium ersetzt – eines der häufigsten Elemente überhaupt.

E-Autos laden schneller dank neuer Akku-Technik

Die im Labor entwickelten Smartphone-großen Zellen wurden in einem nächsten Schritt vom Austrian Institute of Technology (AIT) produiziert und von der FPT Motorenforschung AG in ein komplettes Modul integriert, wie es in E-Fahrzeugen zum Einsatz kommt. Um die Schnellladefähigkeit der Batterien zu verbessern, hat die Coventry University gemeinsam mit FPT ein spezielles Temperaturmanagementsystem für das Pilot-Modul entwickelt.

Eine Herausforderung bestand darin, die im Labor erzielten Ergebnisse erfolgreich auf einen größeren Maßstab zu übertragen, um diese zeitnah in die industrielle Praxis überführen zu können. Das ist gelungen: Die Neuentwicklungen wurden erfolgreich vom Labor- in den Pilotmaßstab skaliert, es entstanden Pilotproduktionsanlagen, zudem meldeten die Beteiligten mehrere Patente an. Auch die Investorengelder für die nächsten Schritte sind bereits gesichert.

Breites Konsortium deckt gesamte Wertschöpfungskette ab

Initiiert und geleitet wurde „SeNSE“, das über ein Gesamtbudget von mehr als zehn Millionen Euro verfügte, von Forschenden des Schweizer Empa-Labors „Materials for Energy Conversion“. Zu den insgesamt elf Projektpartnerinnen und -partner zählten neben dem HI MS auch das MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster, die Coventry University aus Großbritannien, das AIT Austrian Institute of Technology und das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW).

Entscheidend für den Erfolg des Vorhabens war es, namhafte Industriepartner einzubinden, die eine anwendungsnahe Entwicklung der neuen Akku-Technologien sicherstellen konnten. Mit an Bord waren unter anderem der schwedische Batteriehersteller Northvolt, das Schweizer Innovationszentrum von FPT Industrial, die FPT Motorenforschung AG, die französischen Start-ups Solvionic und Enwires sowie der Chemiekonzern Huntsman. Auf diese Weise wurde die gesamte Wertschöpfungskette einer Batterie abgedeckt – von der Materialforschung bis hin zum Einbau in E-Autos.

Weg frei für eine emissionsfreie Zukunft des Verkehrs

Die Ergebnisse des „SeNSE“-Projekts leisten einen Beitrag zur Entwicklung der Elektromobilität. Mithilfe der neuen Entwicklungen könnten die europäischen Klimaziele im Verkehrssektor vermutlich schneller erreicht werden. Zusammengefasst lässt sich sagen: Dank der neuen Materialien und Technologien werden die Batterien leistungsfähiger, schnellladefähiger, reichweitenstärker und zugleich ressourcenschonender. Weil in diesem Fall Wissenschaft und Wirtschaft eng verzahnt miteinander gearbeitet haben, ist der Weg für eine zügige Überführung in marktreife Produkte bereits geebnet.

Mit dem erfolgreichen Abschluss von „SeNSE“  endet die Forschung an zukunftsfähigen Akkus aber nicht: Vielmehr hat das Projekt eine Dynamik angestoßen, in deren Folge die beteiligten Partner sowie zahlreiche andere Akteurinnen und Akteure in Europa und weltweit die Batterietechnologie weiter voranbringen wollen. Das erworbene Wissen soll in vielfältige Anschlussprojekte und -entwicklungen einfließen.