Elektromobilität: Forschen nach neuen Batteriematerialien (Teil I)

Dr. Andreas FischerBei dem Ziel, Energie und Ressourcen zu sparen, sind alternative Antriebe hoch im Kurs (siehe auch Energiequellen der Zukunft), allen voran die Elektromobilität. Knackpunkt ist und bleibt die Batterie, die Forschungsschwerpunkt der Elektrochemie ist. Als eines der wenigen Chemieunternehmen hat die BASF in den vergangenen Jahrzehnten kontinuierlich elektrochemische Forschung betrieben und Gruppen von anerkannten Experten aufgebaut. Einer von ihnen ist der BASF-Forscher Dr. Andreas Fischer, mit dem sich Michael Lang über neuer Batteriematerialien für die Elektromobilität unterhalten hat.

Herr Fischer, welches ist für Sie die größte Herausforderung bei Batterie-Materialien?
An eine Batterie für den Elektroantrieb werden besondere Anforderungen gestellt. Sie soll eine möglichst große Reichweite ermöglichen, sehr lange zuverlässig arbeiten, dabei klein und leicht sein und wenig kosten. Wir arbeiten deshalb daran, die Energiedichte und die Stabilität zu erhöhen und achten dabei auch auf die Kosten. Mobilität muss bezahlbar bleiben. Das sind im Wesentlichen die Herausforderungen der Elektromobilität.  

Cars love chemistry (m)Mobil zu sein ist heute selbstverständlich. Unter dem Motto „Cars love chemistry“ zeigt BASF auf der Internationalen Automobilausstellung IAA vom 15. bis 25. September energieeffiziente und klimafreundliche Lösungen für die Mobilität der Zukunft. Halle 4.0, Stand C35. 


Eine Komponente in Batterien sind Kathodenmaterialien. Woran wird geforscht?

Kathodenmaterialien haben eine bestimmte Energiedichte – das ist das Maß für die gespeicherte Energie pro Masse (Kilogramm) oder Volumen (m3). Wir möchten die Energiedichte erhöhen. Die Energiedichte wird von den beiden Faktoren Kapazität der Elektrodenmaterialien und Zellspannung bestimmt. Die Kapazität von klassischen Kathodenmaterialien z.B. liegt üblicherweise im Bereich von 150 Amperestunden pro Kilogramm, die mittlere Zellspannung bei 3,7 Volt. Dies gilt es zu verbessern.

Was müssen Sie dafür tun?
Wir testen einerseits Hochenergiematerialien, die zwar mit einer geringfügig niedrigeren Spannung arbeiten, aber eine höhere Kapazität von 250 Amperestunden pro Kilogramm haben. Daraus resultiert eine insgesamt höhere Energiedichte als beim Standardkathodenmaterial NCM (Nickel, Cobalt, Mangan). Der andere Ansatz besteht darin, nicht die Kapazität, sondern die durchschnittliche Zellspannung zu erhöhen. Das erforschen wir an so genannten Hochvolt-Spinellen (LiMn2O4), die eine höhere Kapazität als NCM haben.

Wie erzielt man Fortschritte bei der Lebensdauer und Stabilität der Batterie?
Wir arbeiten sowohl an der Struktur und Zusammensetzung der Kathodenmaterialien als auch an geeigneten Elektrolyten, der zweiten wichtigen Komponente in Batterien. Elektrolytflüssigkeit und Kathodenmaterial müssen zueinander passen. Auch das Anodenmaterial hat einen Einfluss auf das System. Die eigentliche Herausforderung besteht also darin, das Zusammenspiel des gesamten Systems zu betrachten. Dass wir bei der Entwicklung so viele Dinge im Auge behalten müssen, macht die Weiterentwicklung der Batteriematerialien so aufwändig und so schwierig.

Sie sprachen bereits die Elektrolyten an. Worauf kommt es dabei an?

Wir suchen nach geeigneten Formulierungen, damit die Kathode sowohl bei hohen als auch bei tiefen Temperaturen noch stabil arbeitet: Damit das Auto auch noch im Winter bei Minusgraden startet und weil die Batterie im Betrieb sehr warm werden kann. Der Elektrolyt muss ein relativ breites Temperaturspektrum abdecken und z.B. bei Hochvoltspinellen auch bei einer Zellspannung von 5 Volt noch funktionieren – 5 Volt sind für organische Materialien eine echte Herausforderung.

Warum sind 5 Volt eine echte Herausforderung?
Bei 5 Volt gibt es eine relativ starke oxidative Wirkung.  Es bilden sich Abbauprodukte, die die Batterie zerstören können. Deshalb verwenden wir schon für viele Basiselektrolyte eine Mischung aus verschiedenen Carbonaten auf der Basis von Ethylencarbonat, das relativ oxidationsstabil ist. Für eine Hochvoltbatterie ist aber auch das noch nicht ausreichend und wir arbeiten an verbesserten Elektrolytsystemen.

In der öffentlichen Diskussion geht es immer wieder um ausreichende Versorgung mit den für Batterien notwendigen Rohstoffen. Wie gehen Sie damit um
?
Das teuerste Material in einer heutigen Lithium-Ionen-Batterie ist Cobalt. Wir versuchen deshalb, den Cobalt-Gehalt zu senken, ohne dass es zu Abstrichen bei der Leistung kommt. Andererseits muss man langfristig sowohl Cobalt als auch Nickel aus den Batterien wieder gewinnen. Das schauen wir uns  genau an.

Die Fragen stellte der Wissenschaftsjournalist Dr. Michael Lang

Literatur:

  • Handbook of Batteries . – 3rd rev. Ed. – New York : McGrawHill, 2008.
  • Lithium Batteries : Research, Technology and Applications. – New York : Nova Science Publ., 2010
  • Lithium-Ion Batteries : Science and Technologies. – New York, NY : Springer, 2008.

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AutorInnen in diesem Gruppenblog: +++ Dr. Peter Erk +++ Peter Erk studierte Chemie an der Universität Würzburg und promovierte zu metallisch leitfähigen organischen Radikalanionensalzen. Nach einem Forschungsjahr an der Stanford University bei Prof. James P. Collman arbeitete er mehrere Jahre im Bereich Pigmentforschung der BASF mit dem Schwerpunkt auf Polymorphie und Grenzflächeneigenschaften von Lackpigmenten. Seit 2001 gestaltet er die Projekte der BASF zu OLEDs und zu Organischen Solarzellen mit und leitet zurzeit die Gruppe Bauteil-Entwicklung für beide Technologien im Joint Innovation Lab Organic Electronics der BASF. Als technischer Projektleiter und Research Director ist er global für die Forschung an organischen Solarzellen zuständig. +++ Anja Feldmann +++ Anja Feldmann studierte Journalistik in Dortmund und Slawistik an der Ruhr-Universität Bochum. Nach längeren Auslandsaufenthalten in Russland und Japan arbeitete sie zunächst als Wirtschaftsredakteurin bei dpa und Reuters. 2002 wechselte sie nach China und war für den DAAD in einer Hochschulkooperation mit der Tongji Universität in Shanghai tätig. Nach ihrer Rückkehr schloss sie sich 2008 der neu gegründeten Forschungskommunikation der BASF SE an und beschäftigt sich unter anderem mit dem Einsatz von Social Media in Wissenschaft und Forschung. +++ Dr. Judith Schrauf-Papadopoulos +++ Judith Schrauf-Papadopoulos studierte Germanistik und Computerlinguistik in Heidelberg. Nach einer Tätigkeit in der internen Kommunikation bei DHL bekam sie ein DFG Stipendium im Graduiertenkolleg "NeuroAct" und promovierte zur kognitiven Sprachverarbeitung. 2010 fing sie bei BASF Crop Protection in der globalen Kommunikation an. Anschließend wechselte sie in den spannenden Bereich der Forschungskommunikation, wo sie sich unter anderem darum kümmert, die vielseitigen Forschungsfelder der BASF im Web zu präsentieren.

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