Rohstoffe für Batterien - EPub Bayreuth
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Das Wissenschaftsmagazin der Universität Bayreuth 15. Jahrgang Ausgabe 1 August 2019
Materialien & Analytik
Rohstoffe für Batterien
Seiten 8-13
Energiesysteme
Batterien und elektrische Antriebe
Seiten 42-46
Thema
Batterien
Nachhaltigkeit
Batterien als Schlüsseltechnologie
Seiten 64-67
Grusswort
Liebe Leserinnen und Leser,
N achhaltigkeit in der Energieversorgung ist an-
gesichts des Klimawandels eine der Zukunfts-
fragen des 21. Jahrhunderts. Neuen Technologien
Ingenieurwissenschaften und auch die Wirtschafts-
informatik werden sich noch stärker als bisher ver-
netzen. Soziale und ökologische Probleme, die mit
der Energiespeicherung kommt dabei eine Schlüs- dem Abbau der heute üblichen Batterie-Rohstoffe
selrolle zu. Auf diesem Gebiet will die Universität in Ländern Afrikas oder Südamerikas verknüpft sind,
Bayreuth mit ihrem Bayerischen Zentrum für Batte- dürfen dabei nicht aus dem Blick geraten: Die Ent-
rietechnik (BayBatt) innovative Entwicklungen offen- wicklung von Batteriespeichern auf der Basis ande-
siv vorantreiben. rer, gut verfügbarer und recyclefähiger Materialien
steht auf der Agenda weit vorn.
Dabei geht es nicht allein darum, durch eine Auswei-
tung der Elektromobilität die CO2-Emissionen zu ver- Die Entscheidung der Bayerischen Staatsregierung,
ringern. Stationäre Speicher in privaten Haushalten, das Bayerische Zentrum für Batterietechnik an der
Industrieanlagen und öffentlichen Einrichtungen, Universität Bayreuth anzusiedeln, hat erneut gezeigt:
Prof. Dr. Stefan Leible, Präsident die in intelligente Energiesysteme integriert sind, Auch auf dem Gebiet der Energieforschung und
der Universität Bayreuth. werden dazu beitragen, dass der Anteil erneuerbarer Energietechnik ist unser Campus ein dynamischer,
Energien am Stromverbrauch weiter steigen kann. der Zukunft zugewandter Wissenschaftsstandort.
Hierfür reicht der „State of the Art“ in der Batterie-
technik allerdings nicht aus. Deshalb wollen wir auch Es grüßt sie herzlich
die Grundlagenforschung intensivieren und die ge-
wonnenen Erkenntnisse nutzen, um zur Entwicklung Ihr
effektiver, sicherer und marktfähiger Speichertech-
nologien beizutragen. Erneut wird sich hierbei die
hervorragende interdisziplinäre Zusammenarbeit
bewähren, die unsere Campusuniversität seit mehr Prof. Dr. Stefan Leible
als vier Jahrzehnten prägt. Physik und Chemie, die Präsident der Universität Bayreuth
Weitere SPEKTRUM-Ausgaben
Auf der Homepage der Universität Bayreuth finden Sie unter anderem
auch die vorigen SPEKTRUM-Ausgaben zu den folgenden Themen:
2/2018: Krieg
1/2018: Planet Erde
2/2017: Nachhaltigkeit
1/2017: Governance
2/2016: Molekulare Biowissenschaften
1/2016: Innovationen
2/2015: Digitalisierung
1/2015: Kulturbegegnungen und transkulturelle Prozesse
2/2014: Energie
• www.uni-bayreuth.de/de/universitaet/presse/spektrum
2 Ausgabe 1 . 2019
Editorial
A ls der bayerische Ministerpräsident im April
2018 verkündete, dass die Universität Bayreuth
eine neue Forschungseinrichtung – nämlich ein Bay-
können. Masterstudierende, Doktoranden und Post-
docs aus dem In- und Ausland sind willkommen, sich
mit eigenen Ideen und Konzepten daran zu beteiligen.
erisches Zentrum für Batterietechnik (Baybatt) – er- Mittelfristig ist auch der Aufbau eines Studiengangs
halten solle, war man sich auf dem Campus sofort zur Batterieforschung und -technik geplant. Wie die
einig: Wir bringen für dieses Vorhaben beste Vor- Universität Bayreuth insgesamt, hat auch ihr Zentrum
aussetzungen mit. Das Profilfeld „Energieforschung für Batterietechnik eine „third mission“: Angesichts der
und Energietechnologie“ ist in natur- und ingeni- technischen, ökonomischen und gesellschaftspoliti-
eurwissenschaftlicher Forschung und Lehre an der schen Herausforderungen, die mit der Energiewende
Universität Bayreuth fest etabliert, und das Zentrum verbunden sind, wird es bei der Suche nach innova-
für Energietechnik (ZET) bündelt seit vielen Jahren tiven Lösungen mit Unternehmen, aber auch mit öf-
für Batteriespeicher relevante Kompetenzen aus ver- fentlichen Einrichtungen zusammenarbeiten.
schiedenen Disziplinen. Prof. Dr.-Ing. Michael Danzer ist
Batterien haben das Potenzial, einen Paradigmen- Inhaber des Lehrstuhls für Elektri-
Das BayBatt wird an diese campusumspannende wechsel im Energie- und Verkehrssektor einzuleiten, sche Energiesysteme (EES) an der
Universität Bayreuth.
Zusammenarbeit anknüpfen und das Thema „Batte- der letztlich alle Bürgerinnen und Bürger betrifft.
rien“ auf mehreren Skalen bearbeiten. Diese reichen Gerade unter diesem Aspekt würde es mich freuen,
von der Untersuchung molekularer Strukturen und wenn Sie unserer SPEKTRUM-Ausgabe neue, interes-
Prozesse über die Modellierung einzelner Elektroden sante Anregungen entnehmen können.
und Zellen bis hin zur Steuerung und Koordination
von Batterien in einem intelligenten Energiesystem. Freundliche Grüße
Die neue SPEKTRUM-Ausgabe, die Sie in Händen
halten, will Schlaglichter auf die Vielfalt der span- Ihr
nenden Fragestellungen der Batterieforschung in
Bayreuth werfen.
Prof. Dr.-Ing. Michael Danzer
Der wissenschaftliche Nachwuchs wird am BayBatt Leiter des Bayerischen Zentrums für Batterietechnik
an herausfordernden Forschungsprojekten mitwirken (BayBatt) an der Universität Bayreuth
Impressum
SPEKTRUM-Magazin der Universität Bayreuth
Auflage: Redaktionsleitung:
deutsche Ausgabe: 1.500 Stück Christian Wißler (V.i.S.d.P.)
englische Ausgabe: 500 Stück
Druck:
bonitasprint gmbh, Würzburg
Herausgeber:
Universität Bayreuth Satz und Layout:
Stabsabteilung Presse, Marketing GAUBE media agentur, Bayreuth
und Kommunikation (PMK) www.gaube-media.de Christian Wißler M.A.,
Titelseite: Batterieraum in einem
Fachwirt Public Relations (BAW),
95440 Bayreuth Energiepark (sst).
Stabsabteilung PMK
Telefon (09 21) 55 - 53 56 / - 53 24 Bildquellen-Kennzeichnung: der Universität Bayreuth, Abb. links: E-Tankstelle auf dem Campus
pressestelle@uni-bayreuth.de sst: www.shutterstock.com Wissenschaftskommunikation. der Universität Bayreuth (Foto: Christian
Wißler).
Alle Beiträge sind bei Quellenangaben und Belegexemplaren frei zur Veröffentlichung.
Ausgabe 1 . 2019 3
Thema
Batterien
2 Grußwort
Prof. Dr. Stefan Leible
Präsident der Universität Bayreuth
3 Editorial
Prof. Dr.-Ing. Michael Danzer
Leiter des Bayerischen Zentrums
für Batterietechnik (BayBatt) an der
Universität Bayreuth
3 Impressum
4 Inhaltsverzeichnis
26
Im Keylab für Device Engineering werden neuartige
Wissenschaftspolitik Batterie-Knopfzellen entwickelt (Foto: C. Wißler).
6 Energiespeicherung – eine der
zentralen Zukunftsfragen 18 Prozesstechnologien
Fragen an Bernd Sibler, MdL, für neue Festelektrolyte
Bayerischer Staatsminister für Innovationen für die Lithium-
Wissenschaft und Kunst Ionen-Batterie der Zukunft
22 Nanostrukturierte Oxide
Funktionelle Materialien für
die elektrochemische Energie-
speicherung und -wandlung
26 Batterien auf Kunststoffbasis
Lösungsmittelfreie Elektrolyte für die
nächste Generation von Batterien
8 30 Lithium-Ionen-Batterien
Auch soziale und ökologische Umstände der Roh-
stoffgewinnung sind in der Batterieforschung zu be- Herausforderungen der aktuellen
achten (Foto: Felix Malte Dorn / Shutterstock.com). Technologie
Modellierung & Simulation
Materialien & Analytik
34 Batteriemodellierung
8 Rohstoffe für Batterien Wege zum Verständnis und Design
Nicht nur die Leistung zählt elektrochemischer Energiespeicher
14 38 Wärmemanagement in Batterien
14 Alles im Fluss Flussbatterien – eine interessante Option für die
Flussbatterien speichern Zwischenspeicherung erneuerbarer Energien Erhöhte Sicherheit durch thermische
(Foto: M. K. Kayarkatte).
Sonnen- und Windenergie Analysen und Simulationen
4 Ausgabe 1 . 2019
Inhaltsverzeichnis
Mit dem Modell einer Batterie wurde das Bayerische
Zentrum für Batterietechnik (BayBatt) auf dem Campus
der Universität Bayreuth im September 2018 festlich eröffnet
(Foto: Peter Kolb).
Energiesysteme
42 Batterien und elektrische Antriebe
Systembetrachtungen
64
Wichtiges Forschungsfeld: die Steuerung und Koordi-
für die Elektromobilität nation einer großen Anzahl von Batteriespeichern (sst).
Nachhaltigkeit
60 Energiezukunft
gemeinsam gestalten
Wie regionale Partner die
Energiewende vorantreiben
64 Batterien als Schlüsseltechnologie
60 Durch interdisziplinäre Batterie-
Batteriespeichersysteme – ein Beitrag zur kom- forschung zu einer nachhaltigeren
munalen Energieversorgung (Foto: F. X. Bogner).
Energiewirtschaft
54
Intelligente Energieknoten sind das Herz moderner Energiesysteme (Foto: B. Zeilmann).
47 Mit Elektroantrieb voll im Rennen
Das Elefant Racing-Team Wissenschaftsgeschichte
48 Smart Homes
68 Humboldt und Volta
Wärme und Strom für
Von den Experimenten Galvanis
unser künftiges Wohnen
zur Erfindung der Batterie
54 Industrielle und
38 kommunale Anlagen
Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit mit spek- Energieoptimierter Betrieb mithilfe
troskopischen Methoden (Foto: K. Herrmann).
intelligenter Batteriesteuerung
Ausgabe 1 . 2019 5
Wissenschaftspolitik
Energiespeicherung –
eine der zentralen Zukunftsfragen
Fragen an Bernd Sibler, MdL, Bayerischer Staatsminister für Wissenschaft und Kunst
S ehr geehrter Herr Minister Sibler, es ist noch kein
Jahr vergangen, seit Ihr Ministerium auf dem
Campus der Universität Bayreuth das Bayerische Zen-
trum für Batterietechnik an der Universität Bayreuth
ankündigt, stellt Ministerpräsident Söder fest: „Der
Elektromobilität gehört die Zukunft.“ Welche Im-
trum für Batterietechnik – kurz: BayBatt – eröffnet pulse erwartet die Staatsregierung dazu aus der For-
hat. Was hat die Bayerische Staatsregierung bewogen, schung an der Universität Bayreuth?
auf diesem Gebiet der Energieforschung ein neues
Zentrum ins Leben zu rufen? Und weshalb wurde das Wenn wir beim Klimaschutz vorangehen und unse-
BayBatt als Einrichtung der Universität Bayreuth ge- re Abhängigkeit von fossilen Energieträgern redu-
gründet – und nicht an einem anderen Standort, bei- zieren wollen, kommen wir an der Elektromobilität
spielsweise als außeruniversitäres Institut? nicht vorbei. Hier haben wir aber noch einigen Spiel-
raum bei der Weiterentwicklung, zum Beispiel bei
Energiespeicherung ist eine der zentralen Zukunfts- der Reichweite und der Frage, was mit den Batterien
fragen! Bei der internationalen Suche nach Antwor- passiert, wenn sie nicht mehr nutzbar sind. In diesen
ten wollen wir hier in Bayern innovative Impulse set- Bereichen kann BayBatt mit seinem interdisziplinä-
zen. Mit einem eigenen Forschungszentrum können ren Ansatz, der den gesamten Lebenszyklus einer
wir unsere Kompetenz bündeln und vertiefte For- Batterie in den Blick nimmt, ganz entscheidende Im-
schungsarbeit leisten. Unser Ziel ist es, über die ge- pulse auf dem Weg zur effizienten und nachhaltigen
samte Wertschöpfungskette von Batteriespeichern Batterie von morgen setzen.
hinweg zukunftsträchtige Entwicklungen anzusto-
Abb. 1: „Sonnenscheibe“ des Glaskünst- ßen. Wir setzen dabei neben der Forschung auch auf Der Koalitionsvertrag der Staatsregierung aus CSU
lers Florian Lechner vor der Fakultät für
Ingenieurwissenschaften (Foto: Christian
die akademische Aus- und Fortbildung junger Nach- und Freien Wählern weitet die Batterieforschung am
Wißler). wuchskräfte. Schließlich brauchen wir sie auf diesem BayBatt auf stationäre Energiespeicher aus. Welche Be-
Zukunftsfeld als Visionäre und Problemlöser! Dazu deutung hat die Erforschung innovativer Speichertech-
wollen wir ein ansprechendes Angebot machen. niken für die regionale und landesweite Energiewende?
Das Konzept der Universität Bayreuth zur Gründung Die Weiterentwicklung stationärer Energiespeicher
eines Forschungs- und Entwicklungszentrums für ist der Schlüssel für die Energieversorgung von
Batterietechnik hat übrigens all diese Punkte berück-
sichtigt. Die Ausrichtung und Schwerpunktsetzung
der Universität hat es möglich gemacht, dass wir das
Bayerische Zentrum für Batterietechnik im Septem-
ber letzten Jahres – und damit nur wenige Monate
nach seiner Ankündigung – eröffnen konnten.
Denn „Energieforschung und Energietechnologie“
ist bereits seit Jahren ein wichtiger Forschungs-
schwerpunkt der Universität Bayreuth – disziplin-
und fakultätsübergreifend. Auf diese große Expertise
und Kompetenz bauen wir.
Abb. 2: Blick auf den zentralen Campus In seiner Regierungserklärung vom April letzten Jah-
der Universität Bayreuth (Foto: UBT). res, in der er das Forschungs- und Entwicklungszen-
6 Ausgabe 1 . 2019
Wissenschaftspolitik
morgen. In Bayern können wir beim Ausbau der
regenerativen Energiequellen schon große Erfolge
vorweisen. Für die wirtschaftliche und nachhaltige
Nutzung und Vernetzung dieser dezentral produ-
zierten grünen Energie sind stationäre Energiespei-
cher aber ganz essentiell. Denn mit diesen können
wir die Schwankungen von Wind- und Sonnenkraft
ausgleichen und eine umfassende Versorgungs-
sicherheit in unseren Stromnetzen gewährleisten
– damit können wir unser Leben ganz konkret und
fühlbar ein Stück weit besser machen.
Die nächste Generation sicherer, intelligenter und
nachhaltiger Energiespeicher wird aus Bayreuth kom-
men – dies hat die Staatsregierung in ihrem Minis-
terratsbeschluss vom September 2018 angekündigt.
Zudem verspricht sie eine interdisziplinäre Zusam-
menarbeit und enge Vernetzung von Wissenschaft
und Wirtschaft. Wie kann diese ausgestaltet werden? der Lösung konkreter Fragestellungen im Bereich Abb. 3: Bernd Sibler, MdL, Bayerischer Staatsmi-
nister für Wissenschaft und Kunst (Foto: ©StMWK).
der Batterietechnik nachhaltig unterstützen. Hinzu
Die Universität Bayreuth ist in ein weites und vor kommt, dass wir mit dem geplanten Studienange-
allem äußerst erfolgreiches Kompetenznetzwerk bot auf den vorhandenen Bedarf an Fachkräften in
mit außeruniversitären Partnern eingebunden. Da- diesem Bereich reagieren.
von wird auch BayBatt maßgeblich profitieren! So
sind die beteiligten Arbeitsgruppen bereits jetzt im Zweifelsohne spielt die Batterietechnik eine zentra-
Rahmen von Projekten oder Industrieaufträgen in le Rolle in der Industriepolitik des Freistaates, wenn
vielfältiger Weise mit der Wirtschaft verbunden. Für es darum geht, die aktuellen Herausforderungen in
wichtige Impulse von außen wird darüber hinaus den Wirtschaftsbranchen Verkehr und Energie zu
der aus Wissenschafts- und Wirtschaftsvertretern zu- meistern. Sowohl bei der Elektromobilität als auch
sammengesetzte Beirat des BayBatt sorgen. bei der Energieversorgung nehmen moderne und
effiziente Batterien eine Schlüsselrolle ein. Erfolg-
Welche direkten und mittelbaren Effekte erwarten Sie reiche Forschungs- und Entwicklungsvorhaben im
in Bezug auf die bayerische Wirtschaft? Welche Rolle Bereich der Batterietechnik sind daher für die Zu-
spielt die Batterietechnik für die zukünftige Indust- kunftsfähigkeit unseres Industriestandortes Bayern
riepolitik des Landes? immens wichtig. Sie tragen vor allem auch dazu bei,
den Wirtschaftsstandort Bayern mit eigenen Innova-
BayBatt ist eng mit der Wirtschaft verknüpft. Ent- tionen zu stärken.
sprechend gut wird sich die Forschung zielgerichtet
an deren Bedürfnissen orientieren und diese bei Denken wir einmal weit in die Zukunft voraus: Wie
wird das BayBatt im Jahre 2028 dastehen? Auf welche
Leistungen und Erfolge soll es am 10. Jahrestag seiner
Gründung zurückblicken können – und was wollen
Sie als Bayerischer Wissenschaftsminister dafür tun,
dass diese Vision Wirklichkeit wird?
Ich bin überzeugt, dass sich BayBatt in den kom-
menden Jahren erfolgreich als weithin sichtbare For-
schungseinrichtung positionieren wird! Sicherlich
werden wir vielfältige Impulse zur Batterietechno-
logie ‚made in Bayreuth’ in vielen Häusern, Geräten
und Autos finden. Damit dies gelingt, werde ich die
weitere Entwicklung von BayBatt weiter eng beglei- Die Fragen stellten
ten. Ich werde mich nach Kräften für diese einzigarti- Michael Danzer und
ge Forschungseinrichtung in Oberfranken einsetzen! Christian Wißler.
Ausgabe 1 . 2019 7
Materialien & Analytik
Thorsten Gerdes
Rohstoffe für Batterien
Nicht nur die Leistung zählt
Der Salar de Uyuni im Südwesten Boliviens, der auf einer Höhe
von 3.653 Metern liegt, ist nicht nur die größte Salzpfanne der Erde,
sondern enthält eines der weltweit größten Lithiumvorkommen (sst).
8
S eit der italienische Physiker Alessandro Volta im
Jahr 1800 die Batterie erfunden hat, sind immer
wieder neue Batterietypen entwickelt worden. Ob
„Der Energiebedarf bei der Gewinnung und
Smartphone, Hörgerät, Fernbedienung, Herzschritt- Raffination von Batteriewerkstoffen ist oft beträchtlich.“
macher, Anlasser im Auto oder unterbrechungsfreie
Stromversorgung großer Anlagen – so unterschied-
lich wie die Anwendungen sind auch die verwen-
deten Batterien. Angesichts des Klimawandels und Verfügbarkeit von Rohstoffen
der Notwendigkeit, insbesondere in großen Städten
die Luftqualität zu verbessern, haben Batterien als Zur Herstellung von Batterien werden Rohstoffe wie
Energiespeicher heute eine Bedeutung gewonnen, Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan und Graphit benö-
die vor wenigen Jahren noch unvorstellbar war. Von tigt, die nicht unbegrenzt in der Erdkruste zur Ver-
Batterien wird heute erwartet, dass sie wiederauflad- fügung stehen und mit Anwendungen in anderen
bar sind, möglichst keine toxischen Stoffe enthalten Bereichen im Wettbewerb stehen. Gleichzeitig steigt
und aus Rohstoffen bestehen, die gut verfügbar die globale Nachfrage. So lag der weltweite Bedarf
und preisgünstig sind. Auch unter kritischen Bedin- an Speicherkapazität für Lithium-Ionen-Batterien im
gungen wie Überhitzung oder mechanischer Schä- Jahr 2015 noch bei etwa 70 GWh, doch 2025 wird er
digung müssen Batterien sicher sein, und am Ende – selbst wenn man moderate Wachstumsszenarien
einer möglichst langen Lebensdauer sollte ein Recy- zugrunde legt – bereits bei 535 GWh liegen. Die gute
cling obligatorisch sein. Nachricht lautet: Die weltweiten Vorkommen für alle
Batterierohstoffe übersteigen den prognostizierten
Die Batterien, die heute weltweit pro Jahr auf den Bedarf der nächsten Jahre jeweils deutlich. Dies
Markt kommen, haben eine Speicherkapazität von schließt allerdings nicht aus, dass es zu zeitweiligen
insgesamt rund 500 Gigawattstunden. Für ihre Verknappungen oder Preissteigerungen einzelner
erstmalige vollständige Aufladung würde ein Kern- Rohstoffe kommen kann.
kraftwerk ungefähr ein halbes Jahr benötigen. Die
Autor
Energiespeicher-Roadmap des Fraunhofer-Instituts Es darf trotz optimistischer Prognosen aber nicht
für System- und Innovationsforschung (ISI) prognos- übersehen werden, dass die Förderung von Batte-
tiziert für 2050 eine Nachfrage an Speicherkapazität, rierohstoffen auch heute noch oft mit sozialen und
die sich auf 8.000 bis 10.000 Gigawattstunden (GWh) ökologischen Problemen einhergeht. Die Arbeits-
pro Jahr beläuft.1 Um den Bedarf decken zu können, bedingungen in den Minen sind in zahlreichen roh-
müssen nicht allein hinreichende Rohstoffressour- stoffreichen Ländern der Erde gesundheitsschädi-
cen, Fertigungstechnologien und -kapazitäten zur gend, die Arbeitslöhne gering. Nicht selten kommt
Verfügung stehen. Es müssen auch Batteriewerk- es zwischen Bergbauunternehmen und der ein-
stoffe, -zellen und -systeme optimiert oder völlig neu heimischen Bevölkerung zu Konflikten wegen des
entwickelt werden. Wasserverbrauchs. Belastete Abwässer, die aus dem
Abbau und der Aufarbeitung von Batterierohstoffen
In Bayreuth haben Forschergruppen am Lehrstuhl entstehen, können die Umwelt schädigen. Zudem ist
für Werkstoffverarbeitung seit 15 Jahren Batterie- der Energiebedarf bei der Gewinnung und Raffinati-
Prof. Dr.-Ing. Thorsten Gerdes
werkstoffe und Herstellungsverfahren entwickelt, on von Batteriewerkstoffen oft beträchtlich, was die
leitet das Keylab Glastechnologie
Zellen gefertigt, physikalisch und elektrochemisch „Graue Energie“2, aber auch die Kosten erhöht. Fünf
am Lehrstuhl für Keramische
charakterisiert und bewertet. Schwerpunkte waren wichtige Batterierohstoffe – Blei, Lithium, Kobalt,
Werkstoffe der Universität
Anodenwerkstoffe für Lithium-Ionen-Batterien, Ano- Graphit und Zink – sollen nachfolgend genauer be-
Bayreuth.
den- und Kathodenwerkstoffe für wiederaufladbare trachtet werden.
Zink-Luft-Batterien, Separatoren zur Trennung der
Anode von der Kathode und Analysen zur Aufklä-
rung von Alterungsprozessen der Zellkomponenten. Blei
Darüber hinaus befassen sich die Forschungsarbei-
ten aber auch mit der Frage, wie sich Batterierohstof- Der wichtigste Batterierohstoff ist schon seit den
fe ersetzen lassen, die unter wirtschaftlichen, sozia- 1950er Jahren Blei. Das gilt sowohl für den Bedarf
len, ökologischen oder politischen Aspekten kritisch von fast neun Millionen Tonnen pro Jahr als auch
zu bewerten sind. für die Nachfrage nach Batteriekapazität. Diese liegt
aktuell bei knapp 400 GWh pro Jahr und ist damit
viermal höher ist als für Lithium-Ionen-Batterien. Als
Ausgabe 1 . 2019 9
Materialien & Analytik
toxisches Schwermetall hat Blei unter den Batterie- stärksten mit Feuchtigkeit reagiert, muss die Ferti-
werkstoffen eine besondere Stellung. Viele etablier- gung der Batteriezellen unter absolut trockenen Be-
te Anwendungen, wie bleihaltige Bildschirmröhren, dingungen erfolgen. Schon heute kommt weit mehr
haben mittlerweile ihre technologische Bedeutung als ein Drittel des weltweit geförderten Lithiums in
verloren. Andere Anwendungen, wie Blei in Metall- Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz. Selbst vorsich-
loten, sind gesetzlich verboten. Daher stehen gut 80 tige Wachstumsprognosen sagen voraus, dass dieser
Prozent des weltweit verfügbaren Bleis für die Ver- Anteil bis zum Jahr 2025 auf zwei Drittel steigt.5
wendung in Blei-Batterien zur Verfügung.3 Zudem
sind die Recyclingraten im Vergleich zu anderen Als Rohstoffe für die Batterieherstellung dienen vor
Batterierohstoffen sehr hoch. Das liegt nicht nur an allem lithiumhaltige Mineralien, die insbesondere in
der ausgereiften Recycling-Technologie, sondern in Australien abgebaut werden, und lithiumhaltige So-
Deutschland auch an einem Pfandsystem für Blei- levorkommen in Chile. Die Fördermenge aus beiden
Säure-Batterien, das im Vergleich mit anderen Batte- Ländern zusammen deckt zurzeit etwa 80 Prozent
rierohstoffen einmalig ist. Von den 370.000 Tonnen des globalen Lithiumbedarfs. Wegen der erwarte-
Blei, die jährlich hierzulande verarbeitet werden, ten hohen Bedarfssteigerungen bauen viele Länder
stammen etwa 65 Prozent aus recycliertem Blei.4 ihre Förderkapazitäten aus oder nehmen stillgelegte
Bergwerke wieder in Betrieb. Neue Bergbauprojek-
te werden gestartet. Der seit 2015 um mehr als das
Dreifache gestiegene Lithiumpreis begünstigt auch
den Abbau in Lagerstätten mit einem niedrigen Lithi-
umgehalt, der einen höheren Aufwand für die Aufar-
beitung bedingt. In jüngster Zeit ist der Lithiumpreis
allerdings so deutlich gefallen, dass die Wirtschaft-
lichkeit einiger Projekte schwieriger geworden ist.
Auch aus der Lagerstätte Zinnwald in Sachsen nahe
der deutsch-tschechischen Grenze könnten zukünf-
100 % 4,9 %
10,2 %
0,4 % 0,1 %
90 % 1,6 % 1,0 %
2,5 % 1,4 %
5,0 % 3,1 %
80 % 2,5 %
Abb. 1: Links: Blei-Säure-Batterien post mortem. Als Starterbatterie in Fahrzeugen oder zur Sicherung 4,5 % 2,7 %
Rechts: Die Bildung von Bleisulfat-Kristallen hat einer unterbrechungsfreien Stromversorgung in In- 5,1 % 4,2 %
zur Blockade der Bleielektrode geführt (Bilder: 70 % 6,4 %
Tobias Michlik). dustrieanlagen sind Blei-Säure-Batterien gut geeig- 7,9 % 7,1 %
net. Sie besitzen eine ausreichende Zyklenstabilität, 60 %
und das Preis-Leistungsverhältnis ist günstig. Die 12,0 %
Zyklenstabilität sinkt jedoch drastisch, wenn die Ent- 50 %
ladetiefe steigt – beispielsweise bei Elektrofahrzeu- 13,4 %
gen, die zwecks Energieeinsparung mit einer Start- 40 %
Stopp-Automatik ausgestattet sind. In dieser Hinsicht 66,6 %
30 %
besteht für diesen alten Batterietyp noch immer Ent-
wicklungsbedarf. Vermutlich wird es noch bis ins Jahr
20 %
2025 dauern, bis die Jahrzehnte alte Dominanz der 37,4 %
Blei-Batterien durch andere Batterietypen, insbeson- 10 %
dere durch Lithium-Ionen-Batterien, abgelöst wird.
0%
Abb. 2: Lithium-Nachfrage 2015 im Vergleich zur Nachfrage 2015 Prognose 2025
Prognose 2025 (Grafik: Andreas Gaube).
Quellen: Roskill Information Services Ltd.: Lithium:
Lithium Übrige Anwendungen
Glas
Global Industry, Markets & Outlook. London 2016 Aluminiumherstellung
Schmierstoffe
(Nachfrage 2015); DERA Rohstoffinformationen: Lithium ist nicht nur in Gläsern, Glaskeramiken und Nicht wiederaufladbare Batterien
Glaskeramik
Rohstoffrisikobewertung – Lithium. Berlin 2017
Keramiken – beispielsweise in Kochfeldern oder Luftaufbereitung
(Prognose 2025), vgl. Anm. 5. Dieser Prognose liegt Keramik
ein Szenario zugrunde, in der das Gesamtnachfra- Zahnersatz – ein wichtiger Bestandteil, sondern auch Metallpulver
Wiederaufladbare Batterien
gewachstum 9,2 Prozent beträgt. in Batterien. Weil es unter allen Alkalimetallen am Polymere
10 Ausgabe 1 . 2019Materialien & Analytik
Abb. 3: Links: Teststand zur elektrochemischen
Charakterisierung von Batterie-Experimentalzellen,
rechts: Experimentalzellen zur elektrochemischen
Analyse neuartiger Batterie-Werkstoffe (Fotos:
Christian Wißler).
Literaturtipp
T. Michlik et al.: Improved Dis-
charge Capacity of Zinc Particles
by Applying Bismuth-Doped
Silica Coating for Zinc-Based
Batteries. Batteries (2019), Bd. 5,
tig nicht unerhebliche Mengen Lithium gefördert der Vergangenheit zumindest teilweise zu unterbin- Heft 1.
werden. Aktuelle Schätzungen gehen von 25 Millio- den. Damit wird der Kleinbergbau, in dem im Kon- DOI:10.3390/batteries5010032.
nen Tonnen Mineral aus, wobei der durchschnittliche go 150.000 bis 200.000 Menschen beschäftigt sind,
Lithiumgehalt bei 0,45 Prozent liegt.6 Das wichtigste auch zukünftig substanziell zum weltweiten Kobalt-
Mineral in diesem Vorkommen ist das Zinnwaldit mit angebot beitragen.9
einem Lithiumgehalt von etwa 1,6 Prozent.7
Infolge der wachsenden wirtschaftlichen Bedeutung
der E-Mobilität, die auf Lithium-Ionen-Batterien an-
Kobalt gewiesen ist, wird sich die Kobaltnachfrage bis 2026
Kobalt ist ein wichtiger Bestandteil in Superlegie-
100 %
rungen, Hartmetallen, Stählen, Emailles und Glä- 4,2 % 3,4 %
sern. Fast die Hälfte der 2017 weltweit geförderten 5,1 % 4,5 %
Co-Metall (33 %)
90 % 7,0 %
117.000 Tonnen entfielen allerdings auf die Batte- 8,5 %
2,0 %
rieherstellung. Häufig wird der Rohstoff Kobalt als 80 % 2,7 %
besonders kritisch eingeschätzt: Er lässt sich nur 16,0 %
bedingt durch andere Rohstoffe ersetzen, und die 70 % 16,5 %
Vorkommen beschränken sich auf wenige Länder. So
Gesamtnachfrage Kobalt
8,1 %
sind die DR Kongo mit über 64 Prozent, die Russische 60 %
12,2 % 3,9 %
Föderation mit 4,6 Prozent und Australien mit 4,2
Prozent am weltweiten Kobaltabbau beteiligt.8 Die 50 %
4,7 %
DR Kongo ist der mit Abstand wichtigste Kobaltlie-
Co-Chemikalien (67 %)
40 % 8,2 % 26,7 %
ferant und besitzt mit 3,5 Millionen Tonnen etwa 48
Batterien (55,1 %)
Prozent der globalen Kobaltreserven. Das Länderrisi-
30 %
ko – das aus unsicheren politischen, wirtschaftlichen
und sozialen Verhältnissen resultiert – gilt in diesem 20 % 35,5 %
zentralafrikanischen Staat als besonders hoch. Hier 26,4 %
wird der Bergbau häufig mit Kinderarbeit und ille- 10 %
galem Kleinbergbau zur Finanzierung von Milizen in
Verbindung gebracht. 0% 2,3 % 2,0 %
2015 2025
Etwa 75 Prozent des weltweit benötigten Kobalts Weitere Anwendungen Weitere chemische Anwendungen
Abb. 4: Kobaltnachfrage nach Anwen-
stammen aus industriellem Bergbau, 10 Prozent aus Magnete Keramik und Farbstoffe dungsbereichen im Jahr 2017 und 2026
Recycling und etwa 13 Prozent aus Kleinbergbau. Karbide und Diamantwerkzeuge LIB für E-Mobilität (Grafik: Andreas Gaube).
Daten aus S. Al Barazi: Rohstoffrisikobe-
Zertifizierungen des Bergbaus und Kooperativen tra- Schnellarbeitsstahl LIB für weitere Anwendungen
wertung – Kobalt. DERA Rohstoffinfor-
gen heute dazu bei, die gravierendsten Missstände Superlegierungen NiMH / NiCd mationen 36. Berlin 2018.
Ausgabe 1 . 2019 11Materialien & Analytik
fikationen des Graphits werden in Bayreuth von der
Firma Future Carbon und dem Institut für Innovative
Verfahrenstechnik (InVerTec) zu neuen Silizium-Koh-
lenstoff-Anoden weiterverarbeitet. Diese Anoden
zeichnen sich durch eine hohe Zyklenstabilität aus
und eignen sich daher für eine neue Generation von
Lithium-Ionen-Batterien.
Abb. 5: Die Bou Azzer-Kobaltmine im Anti-Atlas
in Marokko (Foto: Sunart Media / Shutterstock.com).
voraussichtlich verdoppeln.10 Diese Prognose be-
rücksichtigt bereits, dass der Kobaltanteil in den Bat-
terien sinken wird, weil stattdessen neue Kathoden-
1 Fraunhofer-Institut für System werkstoffe zum Einsatz kommen. Wie alle Rohstoffe
und Innovationsforschung ISI: wird sich auch Kobalt in den nächsten Jahren sehr
Energiespeicher-Roadmap (Update
2017) – Hochenergie-Batterien 2030+ wahrscheinlich verteuern. Diese Entwicklung be-
und Perspektiven zukünftiger Batte- günstigt Investitionsentscheidungen zum Ausbau
rietechnologien. Karlsruhe 2017. Abb. 6: Arbeitsgruppe des Projekts „Coatemo“ im Graphit-
der Primärförderung, so dass mittelfristig keine Ver-
2 Die „graue Energie“ ist die Energie, die Bergwerk Kropfmühl in Bayern. Hier gefördertes und zu Graphen
für Herstellung, Transport und Entsor- sorgungsengpässe zu befürchten sind. veredeltes Material wird in Bayreuth zu Graphit-Silizium-Anoden
gung eines Produktes benötigt wird. für Lithium-Ionen-Batterien weiterverarbeitet (Foto: Hochschule
3 S. Mohr, D. Giurco et al.: Global Landshut).
Projection of Lead-Zinc Supply
from Known Resources, Resources Graphit
(2018), 7(1), 17. DOI 10.3390/resour- Zink
ces7010017. Ohne Graphit keine Bleistifte. Noch bedeutender ist
4 Bundesanstalt für Geowissenschaften
und Rohstoffe: Rohstoffwissenschaftli- der Werkstoff in der Feuerfestindustrie, in Gießerei- Zink ist ein gut verfügbarer, preiswerter und seit lan-
che Steckbriefe – Blei. Hannover 2018. en, in Bremsbelägen, als Elektrodenwerkstoff in der gem etablierter Rohstoff für Primärbatterien. Zu un-
5 M. Schmidt: Rohstoffrisikobewertung Metallurgie und eben auch in Batterien und Brenn- terscheiden sind dabei Zink-Kohle-, Alkali-Mangan-,
– Lithium. DERA Rohstoffinformatio-
nen 33, Berlin 2017. stoffzellen. Etwa 1,2 Millionen Tonnen Graphit-Flakes Silberoxid- oder Zink-Luft-Batterien. Jährlich werden
6 A. Stark: Lithium aus Sachsen soll werden jährlich gefördert.11 Davon besitzen aber nur auf dem Weltmarkt 13,7 Millionen Tonnen angebo-
Versorgungssicherheit für Batterien 380.000 Tonnen eine ausreichende Qualität, um für ten, die hauptsächlich für den Korrosionsschutz von
schaffen, Process – Chemie.Pharma.
Verfahrenstechnik, 19. Feb. 2019. Anoden in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wer- Stahl, in Gusslegierungen oder als Bestandteil von
7 Das Zinnwald-Lithium-Projekt: Li- den zu können. Das Besondere am Graphit ist, dass Messing verwendet werden. Demgegenüber ist der
thiumverbindungen aus Deutschland. er nicht nur als natürliche Ressource verfügbar ist, Bedarf an Zink für Batterien von untergeordneter Be-
DERA Industrieworkshop 27. Juni
2017, Berlin. sondern auch synthetisch hergestellt werden kann. deutung.14 Allerdings wird Batteriezink in sehr hoher
8 S. Al Barazi: Rohstoffrisikobewertung Natürliche und synthetische Graphite ergänzen sich Reinheit als feines Pulver benötigt, das genau defi-
– Kobalt. DERA Rohstoffinformatio- in ihren Vorzügen, so dass Batterieanoden durch nierte Dotierungen mit weiteren Metallen (Bismut,
nen 36: Berlin 2018.
9 S. Vetter: Aktuelle Entwicklung und deren Kombination optimiert werden können. Die Indium) aufweist. Dadurch steigen die Herstellungs-
Akteurslandschaft im kongolesi- Preise für Graphit sind mit etwa 1.000 Euro pro Ton- kosten. Besonders häufig wird Zink heute in Primär-
schen Kleinbergbausektor, DERA ne im Vergleich zu anderen Batterierohstoffen mo- batterien für Hörgeräte eingesetzt.
Industrieworkshop zur Verfügbarkeit
von Kobalt für den Industriestandort derat und relativ konstant.12 Gleichwohl gilt Graphit
Deutschland. Berlin, 2. Juli 2018. als kritischer Rohstoff – nicht wegen mangelnder Zink-Luft-Batterien unterscheiden sich von anderen
10
ebd. Verfügbarkeit, sondern aufgrund der Tatsache, dass Zink-Batterien dadurch, dass Zink mit Luftsauerstoff
11
U.S. Geological Survey: Mineral
Commodity Summaries, 2018. sich das weltweite Angebot auf China und Indien mit reagiert und dabei oxidiert wird. Weil das Kathoden-
12
Bundesanstalt für Geowissenschaften Marktanteilen von 71 bzw. 14 Prozent konzentriert.13 material kein fester Bestandteil dieser Batterien ist,
und Rohstoffe (BGR): Preismonitor In Bayern wird in der Graphitgrube Kropfmühl tra- sind sie leicht und kompakt. Mit etwa 1.000 Watt-
Oktober 2018.
13
Bundesanstalt für Geowissenschaften ditionell Graphit abgebaut. Der Betreiber des Berg- stunden pro Kilogramm besitzen sie eine theoreti-
und Rohstoffe (BGR): Graphit – Roh- werks, die AMG Kropfmühl, entwickelt in einem sche Energiedichte, die dreimal höher ist als die von
stoffwirtschaftliche Steckbriefe, 03/2014. vom Bundesministerium für Bildung und Forschung Lithium-Ionen-Batterien. Der Traum der Batterie-
14
U. Dorner: Rohstoffrisikobewertung
– Zink. DERA Rohstoffinformationen (BMBF) geförderten Projekt die Veredelung des Gra- forscher ist daher eine wiederaufladbare Zink-Luft-
25. Berlin 2015. phits zu Graphenen. Diese zweidimensionalen Modi- Batterie, die diese hohe Energiedichte mit einer ho-
12 Ausgabe 1 . 2019Materialien & Analytik
hen Zyklenstabilität verbindet, wie sie in modernen
Lithium-Ionen-Batterien realisiert ist. Eine solche Se-
kundärbatterie ließe sich hervorragend recyceln,
und die Rohstoffkosten wären gering.
Allerdings haben Zink-Luft-Batterien bis heute den
Nachteil, dass sie vergleichsweise schnell altern.
Denn während der Entladung der Anode bilden sich
lösliche Zinkat-Ionen, die in hoher Konzentration eine
elektrisch nicht leitfähige Zinkoxidschicht bilden. Da-
durch nimmt die Leitfähigkeit der Anode und somit
auch die Zyklenfähigkeit der Batterie stetig ab. Hier Abb. 7: Funktionsprinzip einer Zink-Luft-
setzt das vom BMBF geförderte Projekt „PrintEnergy“ Sekundärbatterie (Grafik: Michael Fink).
am Lehrstuhl für Werkstoffverfahrenstechnik an. Um
die Zyklenfähigkeit zu verbessern, entwickeln die For- katalytisch aktiven Schicht besteht. Erst die Vorgän-
scher im Keylab Glastechnologie eine Glasbeschich- ge in dieser reaktiven Schicht ermöglichen die für die
tung für die in der Anode enthaltenen Zinkpartikel. Auf- und Entladung der Batterie notwendigen Teilre-
Infolge der Beschichtung entsteht auf der Anode aktionen: die Reduktion des Luftsauerstoffs (O2) und
während des Entladens ein Gel-Elektrolyt, der die Zin- die erneute Oxidation des Entladeprodukts (OH-) zu
kat-Ionen aufnimmt und dennoch elektrisch leitfähig Sauerstoff. Hinsichtlich ihrer hohen katalytischen
bleibt. Um die Leitfähigkeit zu erhöhen und die Wie- Aktivität sind Edelmetalle wie Platin und Iridium für
deraufladbarkeit der Batterie noch weiter zu verbes- den Einsatz in Luftkathoden zwar geeignet, doch
sern, wird Bismutoxid in das Glasnetzwerk eingebaut. sie sind sehr teuer und wenig stabil. Die Bayreuther
Forschungsarbeiten in diesem Bereich konzentrie-
Die Bayreuther Forscher arbeiten noch in einer wei- ren sich deshalb auf die Entwicklung von Katalysa-
teren Hinsicht an der Optimierung von Zink-Luft-Se- tormaterialien, die nicht nur möglichst wenig Kobalt
kundärbatterien: Um die Verwendung des kritischen enthalten, sondern auch frei von Edelmetallen sind.
Rohstoffs Kobalt zu verringern, entwickeln sie für die
Kathode dieser Batterien – die sogenannte Luftka- Auch wenn die geologische Verfügbarkeit der Bat-
thode – Werkstoffe, die nur wenig oder überhaupt terierohstoffe grundsätzlich gegeben ist, bleibt eine
kein Kobalt enthalten. Die Luftkathode unterschei- Ressourcenschonung durch Effizienzerhöhungen
det sich von anderen Batteriekathoden dadurch, und Recyclingstrategien zwingend erforderlich, ge-
dass sie den für die Erzeugung elektrochemischer nauso wie die Entwicklung von Substitutionsstrate-
Energie benötigten Sauerstoff aus der umgebenden gien. Forschung, Entwicklung und ein tiefgreifendes
Luft bezieht. Sie gewährleistet eine kontinuierliche Verständnis der Werkstoffe bleiben daher für den Abb. 8: Testzelle zur Untersuchung der elektro-
Zu- und Abfuhr des Sauerstoffs, weil sie im Wesent- chemischen Eigenschaften der Aktivmaterialien
nachhaltigen Umbau unserer Energieversorgung
(Foto: Michael Fink).
lichen aus einer gasdurchlässigen Schicht und einer unabdingbar.
mechanisches
Beschichten
Zinkpartikel (Bi, In) Bi2O3-CaO-ZnO-Glas Funktionalisiertes Zinkpartikel
Abb. 9: Am Lehrstuhl für Werkstoffverfahrens-
Der Lehrstuhl für Werkstoffverarbeitung an der Universität Bayreuth wurde von Prof. Dr. Monika Willert-Porada bis technik werden glasbeschichtete Zink-Partikel als
Anodenwerkstoff für wiederaufladbare Zink-Luft-
zu ihrem Tod im Dezember 2016 geleitet. Die Arbeiten werden zukünftig am Lehrstuhl für Werkstoffverfahrenstech-
Batterien entwickelt, um die noch unzureichende
nik von Prof. Dr.-Ing. Christina Roth und im Keylab Glastechnologie von Prof. Dr.-Ing. Thorsten Gerdes weitergeführt. Zyklenstabilität zu verbessern (REM-Aufnahmen:
Tobias Michlik).
Ausgabe 1 . 2019 13Materialien & Analytik
Christina Roth
Alles im Fluss
Flussbatterien speichern
Sonnen- und Windenergie
Das Anwendungszentrum erneuerbare Energien am Fraunhofer-
Institut für Chemische Technologie (ICT) in Pfinztal koppelt ein
Windrad mit Flussbatterien. Der Lehrstuhl für Werkstoffverfah-
renstechnik an der Universität Bayreuth kooperiert mit dem ICT
im Verbundvorhaben „DegraBat: Degradationsprozesse in All-
Vanadium-Redox-Flow-Batterien“, das vom Bundesministerium
für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert wird (Foto: Anwen-
dungszentrum erneuerbare Energien am Fraunhofer-Institut für
Chemische Technologie ICT).W enn die Sonne scheint und der Wind weht,
sind die besten Voraussetzungen erfüllt,
um Energie aus erneuerbaren Quellen in unser Ver-
tären Prozesse von Reduktion und Oxidation haben
beim Entladen der Batterie zur Folge, dass Elektro-
nen an die Elektroden abgegeben und in einen äu- Abb. 1: Funktionsprinzip einer Vanadium-
sorgungsnetz einzuspeisen. Leider wird Strom aber ßeren Leiterkreis übertragen werden. Hier fließt der Flussbatterie. Weil sich in beiden Elektrolytbehäl-
tern Vanadium befindet, ist gewährleistet, dass die
gerade zu diesen Zeiten eher weniger gebraucht, Strom, der in das Stromnetz eingespeist und vom
Elektrolyte nicht durch andere chemische Elemente
sondern beispielsweise dann, wenn frühmorgens Endverbraucher für den Betrieb elektrischer Geräte verunreinigt werden (Grafik: Christina Roth /
und noch im Dunkeln zehntausende Bürger ihre eingesetzt wird. Christian Göppner / Andreas Gaube, Fotos: sst).
Kaffeemaschine anschalten wollen. Um ein besseres
Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage zu
erzielen und resultierende Stromspitzen im Netz ab-
zupuffern, sind Flussbatterien (Redox Flow Batteries)
eine interessante Option. Im Unterschied zu Lithium-
Ionen-Batterien, die mit festen Elektrolyten arbeiten,
wird die Energie in wässrigen Lösungen gespeichert.
Pumpen bewirken, dass diese flüssigen Elektrolyte
durch poröse Elektroden hindurchfließen. So wird die
Batterie schnell geladen und im Bedarfsfall wieder
entladen. Flussbatterien eignen sich für große sta-
tionäre Anwendungen, in denen die überschüssige
Energie aus Windparks und Solarfeldern zwischen-
gespeichert werden muss. Sie sind vergleichsweise
wartungsarm und zeichnen sich dadurch aus, dass
Energie (kWh) und Leistung (kW) über einen weiten
Bereich variiert werden können.
Mithilfe der Flussbatterie als Stromspeicher könnte
Bereits vor 70 Jahren wurde die Flussbatterie in ei- also der koffeinbedürftige Bundesbürger morgens
ner Patentanmeldung von Walter Kangro als Ver- seine Kaffeemaschine mit Strom betreiben, der über
fahren zur Speicherung von elektrischer Energie Nacht zwischengespeichert wurde. Selbst wenn es
vorgestellt.1 In den Folgejahren wurde sie an der viele morgendliche Kaffeetrinker in Bayreuth geben
TU Braunschweig intensiv erforscht. In den 1980er sollte, würden sie weder Netzschwankungen noch
Jahren entwickelte die Forschungsgruppe von Ma- einen Stromausfall verursachen.
ria Skyllas-Kazacos an der University of New South
Wales in Australien die Vanadium-Flussbatterie, die
einen Meilenstein auf dem Weg zur Kommerzialisie- Robuste Elektroden durch Kohlenstoff
rung dieser technologischen Entwicklung darstellt.2
Das in der Flussbatterie verwendete Vanadium ist Autorin
ein Schwermetall und muss in verdünnter Schwe-
Aufbau und Funktion felsäure gelöst werden. Daraus ergeben sich gleich
der Vanadium-Flussbatterie zwei Probleme:
Das Besondere an einer Vanadium-Flussbatterie ist, Es kann bislang nur eine vergleichsweise ge-
dass ausschließlich Vanadium als Elektrolyt verwen- ringe Menge an Vanadium gelöst werden. Von
det wird – und zwar in den verschiedenen Oxidati- der gelösten Menge hängt aber unmittelbar ab,
onsstufen V2+ (violett) und V3+ (grün) sowie V4+ (blau) wie viel Strom in der Batterie gespeichert wer-
und V5+ (gelb). Diese Elektrolyt-Paare verteilen sich den kann. Daher werden derzeit Zusatzstoffe
auf zwei Behälter (Tanks), die jeweils mit einer elek- wie Phosphorsäure erforscht, um die Vanadi-
trochemischen Halbzelle in Verbindung stehen. Die umkonzentration zu erhöhen.
beiden Halbzellen enthalten die Elektroden und sind Die zum Lösen von Vanadiumsalzen verwen-
durch eine nicht-leitende Polymermembran räum- dete Schwefelsäure ist sehr korrosiv. Die für Prof. Dr.-Ing. Christina Roth
lich getrennt: An der Kathode in der positiven Halb- die Elektroden verwendeten Materialien müs- ist seit April 2019 Inhaberin des
zelle wird V5+ (gelb) zu V4+ (blau) reduziert, während sen daher besonders beständig sein, damit sie Lehrstuhls für Werkstoffverfah-
an der Anode in der negativen Halbzelle V2+ (violett) nicht durch den stetigen Kontakt mit den sau- renstechnik an der Universität
zu V3+ (grün) oxidiert wird. Dabei fließt ein Ionen- ren Lösungen angegriffen werden. Die meisten Bayreuth.
strom durch die Polymermembran. Die komplemen- korrosionsstabilen Materialien, zu denen hoch-
Ausgabe 1 . 2019 15Materialien & Analytik
legierte Stähle und Edelmetalle wie Platin zäh- Kohlenstofffilze sind somit als Werkstoffe für kor-
Literaturtipps
len, sind jedoch teuer. Kohlenstoffmaterialien rosionsbeständige Elektroden in Flussbatterien
J. Noack et al.: The Chemistry sind daher eine spannende Alternative. prinzipiell geeignet. Doch die bisher verwendeten
of Redox‐Flow Batteries, Ange- handelsüblichen Gewebe haben eine Reihe von
wandte Chemie (2015), Vol. 127, Aktuell werden Kohlenstofffilze – dies sind kom- Nachteilen, die nach wie vor eine Herausforderung
9912-9947. DOI: 10.1002/ merziell erhältliche Gewebe aus Kohlenstofffasern für Forschung und Entwicklung darstellen:
anie.201410823. – als poröse Elektroden verwendet. Durch diese
Gewebe werden die sauren Vanadiumlösungen hin- Die Elektroden besitzen nur eine vergleichswei-
A. Fetyan et al.: Comparison of durchgepumpt. Kohlenstoff ist dafür aus mehreren se kleine Oberfläche für katalytische Reaktionen.
Electrospun Carbon−Carbon Gründen gut geeignet: Er ist gegenüber den sauren Die Benetzbarkeit der Elektroden und ihre Re-
Composite and Commercial Felt Lösungen beständig, leitet die Elektronen gut und aktionsfähigkeit werden durch die aktivierende
for Their Activity and Electrolyte ist vergleichsweise preiswert. Allerdings sind die Vorbehandlung zwar verbessert, aber ihre kata-
Utilization in Vanadium Redox bislang verwendeten Kohlenstofffilze nicht für die lytische Leistungsfähigkeit ist immer noch sehr
Flow Batteries, ChemElectro- Anwendung in Flussbatterien konzipiert. Ursprüng- begrenzt.
Chem (2019), Vol. 6, 130-135. lich wurden sie aufgrund ihrer flammhemmenden Die Vorbehandlung erfordert zwar keinen ho-
DOI: 10.1002/celc.201801128. Eigenschaften als Ofenisolierung eingesetzt. Damit hen Aufwand, doch es stellt sich die Frage, ob
sie in der Lage sind, die Reduktion und Oxidation sie beim Hersteller der Kohlenstofffilze oder
der Vanadiumlösung beim Laden bzw. Entladen der beim Kunden vorgenommen werden soll. Dies
Flussbatterie zu katalysieren, müssen sie hierfür zu- ist vor allem bei Haftungsfragen wichtig. Wer
nächst aktiviert werden. Dies kann beispielsweise übernimmt die Haftung, wenn die Filzaktivie-
im Ofen durch eine Temperaturbehandlung bei 400 rung nicht zum gewünschten Erfolg führt?
Grad Celsius über eine Dauer von 30 Stunden unter
Luftatmosphäre geschehen, oder auch durch den Filzhersteller sind deshalb im engen Kontakt mit
Kontakt mit stark oxidierenden Säuren. Dadurch der Wissenschaft, um diese Nachteile zu beseitigen.
steigt die Benetzbarkeit der Filze, so dass sich der Das Ziel ist es, die Elektroden mit Oberflächen zu
Kontakt zwischen ihnen und der Vanadiumlösung versehen, die unmittelbar aktiv sind und keiner zu-
verbessert. Zudem werden durch den Kontakt sätzlichen Aktivierung bedürfen, um ihrer Rolle als
der Kohlenstoffoberfläche mit dem Luftsauerstoff Katalysatoren gerecht zu werden. Wenn sich derart
funktionelle Gruppen erzeugt, welche die jeweils optimierte Filze industriell fertigen ließen, könnten
gewünschte Reduktion oder Oxidation des Vanadi- sie vom Hersteller ohne Vorbehandlung an die Batte-
Abb. 2: Vanadium-Flussbatterien arbeiten mit
ums beschleunigen. Wie dieser Mechanismus genau rieproduzenten ausgeliefert und direkt in der Fluss-
vier wässrigen Vanadiumlösungen. Die Farben
entsprechen den unterschiedlichen Oxidationsstufen funktioniert, ist in der Forschung bisher noch nicht batterie verbaut werden.
des Vanadiums (Foto: Joachim Langner). hinreichend geklärt.
Innovative Strategien zur
„Flussbatterien eignen sich für große stationäre Anwendungen, Optimierung der Elektroden
in denen die überschüssige Energie aus Windparks und
Auch der Lehrstuhl für Werkstoffverfahrenstechnik
Solarfeldern zwischengespeichert werden muss.“ an der Universität Bayreuth befasst sich mit der He-
rausforderung, die Elektroden von Flussbatterien zu
optimieren. In den letzten Jahren hat die Arbeits-
gruppe um Prof. Dr.-Ing. Christina Roth an der FU
Berlin eine Reihe von neuen Ansätzen verfolgt:
Grundlegend für eine Optimierung der Elektro-
den ist ein besseres Verständnis der Prozesse, die ab-
laufen, wenn eine Batterie immer und immer wieder
geladen und entladen wird. Dabei nimmt die Ener-
giemenge, die gespeichert und freigesetzt werden
kann, kontinuierlich ab. Um dieses Alterungsphä-
nomen in kommerziell erhältlichen Filzelektroden
Abb. 3: Dr. Igor Derr, ehemaliger Doktorand in besser zu verstehen, wird unter anderem die elek-
der Arbeitsgruppe von Prof. Dr.-Ing. Christina Roth, trochemische Impedanzspektroskopie angewendet.
beim Laboraufbau zur Testung der Batterieleistung
(Foto: Manoj Krishna Kayarkatte).
Bei diesem Verfahren bestimmt man den Widerstand
16 Ausgabe 1 . 2019Materialien & Analytik
des Wechselstroms und setzt ihn mit seiner Frequenz wie Zuckerwatte auf der Sammlerplatte abgelegt.
in Beziehung. Dabei ist es wichtig, den durch die De- Während der Herstellung des Gewebes lassen sich
gradation der Elektroden verursachten Leistungs- die Hochspannung, der Abstand zwischen Nadel-
verlust von der Alterung anderer Komponenten der spitze und Sammlerplatte sowie die Viskosität der
Batterie – wie etwa der Polymermembran oder der Lösung variieren. Auf diese Weise erhält man die
Vanadiumlösung – zu unterscheiden. Die durch die unterschiedlichsten Strukturen, zum Beispiel ver-
elektrochemischen Untersuchungen gewonnenen schiedene Faserdurchmesser, Porengrößen und Ver-
Erkenntnisse können dazu beitragen, der Alterung zweigungen. Da das Polymergewebe unmittelbar
der Filzelektroden durch eine entsprechende Vorbe- nach der Herstellung noch nicht elektronenleitend
handlung entgegenzuwirken.3 ist, muss es bei mindestens 1.700 Grad Celsius unter
Inertgas im Ofen geheizt werden. Übrig bleibt ein
Eine andere Strategie zur Optimierung der Elek- Kohlenstofffilz, der eine 100fach größere Oberfläche
troden zielt darauf ab, die zu ihrer Aktivierung not- als die kommerziellen Elektroden hat und deshalb
wendige Vorbehandlung unter Luft überflüssig zu viel leistungsfähiger ist.5
machen. Dafür werden kommerziell erhältliche Fil-
ze – bevor sie in die Elektroden eingesetzt werden
– mit einer zweiten Kohlenstoffphase überzogen, so Alternative Werkstoffe
dass ein Kohlenstoff-Kohlenstoff-Komposit entsteht. für bessere Umweltverträglichkeit
Während die Fasern im Filz hauptsächlich Elektronen
leiten, hat der Kohlenstoffüberzug eine katalytische Künftig werden auch die Verfügbarkeit von Batte-
Funktion. Er soll die Reaktion im Kontakt mit der Va- rierohstoffen und deren Rückführung in den Stoff-
nadiumlösung beschleunigen.4 kreislauf stärker ins Zentrum der Forschungsprojekte
auf dem Bayreuther Campus rücken. Was geschieht,
Eine weitere Strategie verzichtet ganz auf die wenn eine Batterie nicht mehr genügend Energie
kommerziellen Filze. Sie wendet das Elektrospinn- speichern kann, weil sie sich über ihre Lebensdau-
verfahren an, um die benötigten Kohlenstoffelek- er erschöpft hat? Unter dem Aspekt des Recyclings
troden selbst herzustellen. Beim Electrospinning wird ist Vanadium als Schwermetall sicher nicht die erste
eine Kunststofflösung durch Anlegen einer Hoch- Wahl. Ein neuer, an der Universität Jena entwickel-
spannung zwischen Nadelspitze und Sammlerplat- ter Forschungsansatz zielt darauf ab, das Vanadium
te aus der Spitze „gezogen“, verwirbelt und ähnlich durch recycelbare Polymere zu ersetzen.6 In diesem Kohlenstoffmaterialien im
Fall sind Polymere, die Ladungen aufnehmen und Rasterelektronenmikroskop:
wieder abgeben, entscheidend für die Speicher- Abb. 4: Kommerzielle Filzelektrode
(Bild: Abdulmonem Fetyan).
fähigkeit der Batterie. An der Universität Bayreuth
Abb. 5: Kohlenstoff-Kohlenstoff-Komposit mit salz-
werden in einem interdisziplinären Team verstärkt stangenähnlichen Fasern (Bild: Maike Schnucklake).
Eisensysteme ins Visier genommen und daraufhin Abb. 6: Ein in der AG Roth elektrogesponnenes
untersucht, ob sie als besser verfügbare Werkstoffe Gewebe mit 100fach größerer Oberfläche (Bild:
das Vanadium ersetzen können. Von beiden Alterna- Abdulmonem Fetyan).
Abb. 7 (links): Rasterelektronische Aufnahme
tiven verspricht man sich im Vergleich mit Vanadium
von Fasern mit Spindelstruktur, die mit dem Elektro-
nicht allein eine bessere Umweltverträglichkeit, son- spinnverfahren erzeugt werden können
dern auch einen erheblichen Preisvorteil. (Bild: Mahboubeh Maleki).
Abb. 8: Das Prinzip des Elektrospinnverfahrens (Grafik: Abdulmonem Fetyan).
1
W. Kangro, DE Patent 914264 (1949).
2
E. Sum et al.: Investigation of the V(V)/V(IV) system for use in the positive
half-cell of a redox battery, Journal of Power Sources (1985), Vol. 16, 85-95. DOI:
10.1016/0378-7753(85)80082-3.
3
J. Schneider et al.: Degradation phenomena of bismuth-modified felt electrodes in
VRFB studied by electrochemical impedance spectroscopy, Batteries (2019), 5(1),
16. DOI: 10.3390/batteries5010016.
4
M. Schnucklake et al.: Salt-templated porous carbon-carbon composite electrodes
for application in vanadium redox flow batteries, Journal of Materials Chemistry
A (2017), 5, 25193-25199. DOI: 10.1039/C7TA07759A.
5
A. Fetyan et al.: Electrospun Carbon Nanofibers as Alternative Electrode Materi-
als for Vanadium Redox Flow Batteries, ChemElectroChem (2015) 2, 2055-2060.
DOI: 10.1002/celc.201500284; siehe auch Literaturtipps: A. Fetyan et al., ChemE-
lectroChem (2019).
6
Vgl. die Pressemitteilung vom 5. Juli 2017: https://idw-online.de/de/news698945.
Ausgabe 1 . 2019 17Materialien & Analytik
Autorenteam des Lehrstuhls für Funktionsmaterialien
Prozesstechnologien
für neue Festelektrolyte
Innovationen für die Lithium-Ionen-Batterie der Zukunft
Forschungsarbeiten zum Zellaufbau einer Lithium-Ionen-
Batterie und ihrer Prüfung (Foto: Christian Wißler).
18Sie können auch lesen
