Nachhaltigere leitfähige Kohlenstoffadditive für Lithium-Ionen-Batterien
Innovative Partnerschaft: Forschung, Industrie und Start-up für grüne Batterien
Nachhaltige und hochwertige leitfähige Additive für Lithium-Ionen-Batterien sind ein Schlüssel zur E-Mobilität in Europa. Angesichts der steigenden Nachfrage nach wiederaufladbaren Batterien durch den Übergang zu elektrischen Fahrzeugen und erneuerbaren Energien ist die Entwicklung innovativer und umweltfreundlicher Materialien von zentraler Bedeutung. Das von der Europäischen Union/EIT RawMaterials geförderte gemeinsame Projekt HiQ-CARB hat in den letzten vier Jahren einen großen Fortschritt in dieser Schlüsseltechnologie zur Reduzierung der CO2-Emissionen erzielt.
Die europäische Batterieindustrie benötigt nachhaltige Materialien, die den steigenden Leistungsanforderungen entsprechen und die Umweltbelastung der Batteriefertigung und -nutzung minimieren. Das Forschungsprojekt HiQ-CARB zielt darauf ab, die Menge der in Batterieelektroden erforderlichen leitfähigen Additive zu reduzieren, indem ressourcensparende Kohlenstoff-Nanotubes (CNTs) und »Acetylene Black« aus erneuerbaren Rohstoffen kombiniert werden, um auch deren CO2-Fußabdruck zu verringern. Acetylene Black ist eine spezielle Kohlenstoffart, deren elektrische Leitfähigkeit und Reinheit zu einer höheren Leistungsdichte und einer längeren Lebensdauer bei Lithium-Ionen-Batterien beiträgt. Dies führt zu Kosteneinsparungen und verbessert gleichzeitig die elektrochemische Leistung der Batterien. Das üblicherweise verwendete leitfähige Carbon Black als Additiv in der Produktion von Batterieelektroden ist fossilen Ursprungs und hat daher einen ungünstigen CO2-Fußabdruck. Das HiQ-CARB-Projekt profitierte von einem interdisziplinär aufgestellten Konsortium, das einzigartige Fachkenntnisse und Ressourcen beisteuerte. Bedeutende Fortschritte in der Nachhaltigkeit und Leistung von Lithium-Ionen-Batterien wurden erzielt. Die Kombination von Acetylene Black und CNT hat die benötigte Menge an Additiven reduziert, was zu kostengünstigen und leistungsstarken Batterien führt.
Nachhaltige Ressourcen und Materialeffizienz für eine geringere Umweltbelastung
Die bisherige Projektarbeit umfasste die Entwicklung der effektivsten Zusammensetzung für die neuen leitfähigen Additive, die Hochskalierung von Produktionsprozessen, umfassende Materialbewertungen und eine Lebenszyklusanalyse (LCA), die von der Universität Bordeaux durchgeführt wurde. Die Zusammenarbeit mit Partnern wie dem Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC, der Aalto-Universität und dem Batterie-Start-up CustomCells Itzehoe GmbH war entscheidend, um die Materialien sowohl im Labor- als auch im Pilotmaßstab zu bewerten und deren Eignung für praktische Anwendungen sicherzustellen.
Neben der Hochskalierung der Kohlenstoffproduktion, der Bewertung von Materialien und der Ausbildung von Fachkräften hatten die Projektpartner auch die Aufgabe, eine Marktstrategie zu entwickeln, um das gewonnene Wissen in die industrielle Umsetzung zu übertragen. Die Schlüsselmaterialien umfassen die Acetylen-basierten leitfähigen Kohlenstoffpartikel, die von der Firma ORION S.A. produziert werden, und die ressourcensparenden CNTs, die von der Firma ARKEMA hergestellt werden. Beide Materialien können in erheblichen Mengen produziert werden, die von mehreren Zehnteltonnen bis zu Tausenden von Tonnen reichen, und wurden von den Partnern hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Umweltwirkungen bei der Verwendung in Batteriematerialien bewertet.
Erfolgreicher Nachweis: Neue Additive mit einem geringeren CO2-Fußabdruck können in die Produktion integriert werden
Die Kombination von Kohlenstoffadditiven ermöglicht eine Verbesserung der erreichbaren Leitfähigkeiten und damit eine Reduzierung der insgesamt in den Batterieelektroden benötigten Menge, was zu leichteren, kostengünstigeren und leistungsstärkeren Lithium-Ionen-Batterien beiträgt. Der Projektpartner CustomCells stellte seine Produktionsanlagen zur Verfügung, um die neuen Additive direkt in der Batteriefertigung anstelle des zuvor verwendeten fossilen leitfähigen Carbon Black zu verwenden.
»Die kohlenstoffbasierten HiQ-CARB-Additive konnten problemlos in unsere bestehenden Produktionsprozesse integriert werden, ohne dass wesentliche Änderungen erforderlich waren. Wir erzielten sehr homogene Beschichtungsmuster, die uns von ihrer Qualität überzeugten«, berichtet Projektpartner Jan Majchel von CustomCells. »Als Batteriehersteller mit Sitz in Deutschland unterstützt CustomCells die Idee einer innovativen Batterielandschaft in Europa mit wichtigen Komponenten aus der Region. Wir freuen uns über die neuen Möglichkeiten, die HiQ-CARB geschaffen hat.«
Wie »grüne Batterien« von den HiQ-CARB-Ergebnissen profitieren
Die Produktion von Acetylene Black wurde auf über 3000 metrische Tonnen hochskaliert, und dünnere CNT wurden entwickelt, um den industriellen Anforderungen gerecht zu werden. Dies hat eine Grundlage für eine umweltfreundlichere Produktion von Batterieelektroden geschaffen. Mit den neuen Mischungen aus leitfähigen, umweltfreundlicheren Kohlenstoffadditiven entwickelten die Projektpartner Fraunhofer ISC und Aalto-Universität Rezepte für »Hochenergie«- und »Hochleistungs«-Kathodenmaterialien und verarbeiteten diese zu entsprechenden Kathoden. Die Bewertung im Labormaßstab zeigte gute Ergebnisse und vor allem klare Vorteile gegenüber herkömmlichen leitfähigen Additiven.
Ein klarer Fahrplan für die zukünftige Produktion der klimafreundlicheren Hauptadditive und der mit ihnen hergestellten Batteriezellen wurde skizziert. Der Transfer optimierter Kathodenformulierungen zu CustomCells gewährleistet die Prüfung und potenzielle Kommerzialisierung dieser Innovationen.
Die umfassende Überprüfung von Lebenszyklusanalysen (LCA), die von der Universität Bordeaux durchgeführt wurden, ergab, dass die Produktion von Acetylene Black von ORION ein Treibhauspotenzial von nur etwa 1,5 kg CO2-Äquivalent pro Kilogramm hat (für Experten: hauptsächlich aufgrund von Scope 3-Emissionen). Mit 3,5 kg bis 3,9 kg CO2-Äquivalent pro Kilogramm ist die Ökobilanz von konventionell produziertem Carbon Black deutlich höher. Diese Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit nachhaltigerer Produktionsmethoden. Das Projekt unterstützte auch die Ausbildung von Fachkräften in der Wertschöpfungskette von Lithium-Ionen-Batterien.
Zusammenfassend hat das HiQ-CARB-Projekt bedeutende Beiträge zur Förderung nachhaltiger Praktiken in der Lithium-Ionen-Batterieindustrie geleistet. Die Entwicklung und Kommerzialisierung innovativer leitfähiger Additive verbessert nicht nur die Batterieleistung, sondern legt auch die Grundlage für ein umweltfreundlicheres und wirtschaftlich tragfähiges Batteriefertigungssystem in Europa. Die Partner sind entschlossen, verbleibende Herausforderungen zu überwinden und die erfolgreiche Markteinführung dieser Innovationen sicherzustellen.
Projektpartner
- Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC, Germany (Projektkoordinator)
- Aalto Universität, Finnland
- ARKEMA Group, Frankreich
- Customcells Itzehoe GmbH, Deutschland
- Orion S. A., Deutschland
- Université de Bordeaux, Frankreich
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