Etwa ein Drittel der Produktionskosten von Akkus entfällt auf die Phase der ersten Aufladung, in der die Batterie konditioniert werden muss. Um diese Phase effizienter und die Batterieherstellung damit wesentlich kostengünstiger zu machen, entwickelt das Konsortium des Projekts „Nano-Bat“ Sensoren, die in der Batterie die dort ablaufenden Prozesse überwachen sollen. Am Projekt beteiligt ist ein Forschungsteam vom Zentrum für Elektrochemie der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann. Das Konsortium aus zwölf Partnern unter Federführung der österreichischen Firma Keysight Technologies wird seit 1. April 2020 für drei Jahre mit rund 5 Millionen Euro von der Europäischen Kommission gefördert.

Isolierschicht schützt das Lösungsmittel
Einer der großen Kostentreiber bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien ist die allererste Aufladung. „Dabei muss man sehr vorsichtig sein, und das kann bis zu einer Woche dauern“, sagt Wolfgang Schuhmann. Der Grund dafür liegt in Prozessen, die dabei in der Batterie ablaufen. Beide Elektroden sind in ein Lösungsmittel eingebettet. Bei den hohen Voltzahlen der Batterien zersetzt sich dieser sogenannte Elektrolyt. Dabei bilden sich an der Elektrode Ablagerungen, die eine nur wenige Nanometer dünne, feste Schicht bilden. Experten sprechen von der Solid Electrolyte Interphase, kurz SEI. „Diese Schicht ist also eigentlich ein Zersetzungsprodukt, aber notwendig, denn wenn sie sich gebildet hat, zersetzt sich der Elektrolyt nicht weiter“, erläutert Schuhmann.

Prozesse sind bisher unerforscht
Von der SEI-Schicht hängt die Qualität der Batterie ab; sie darf weder zu dick noch zu dünn oder unvollständig sein. Da sich die Schicht während der ersten Aufladung bildet, muss dabei alles stimmen. Spannung, Temperatur und viele andere Faktoren beeinflussen den Entstehungsprozess. „Wie das alles ablaufen muss, ist aber bisher nicht ausreichend erforscht“, so Schuhmann, „und man kann eben nicht in die Batterie hineinschauen.“

Das will das Projektteam nun ändern. Aufbauend auf dem Grundverständnis der Prozesse, die bei der Bildung der SEI-Schicht ablaufen, wollen die Forscherinnen und Forscher Nanosensoren entwickeln, die dann in die Batterien eingebaut werden sollen. Mit ihrer Hilfe könnte die SEI-Bildung dann überwacht werden. „Damit soll die Phase der ersten Aufladung optimiert werden, sodass die dafür benötigte Zeit drastisch verringert wird“, so Wolfgang Schuhmann.

Enormes wirtschaftliches Potenzial
Die nachhaltige Speicherung elektrischer Energie gehört zu den größten Herausforderungen dieses Jahrhunderts: Die Europäische Union schätzt die Batterieproduktion als eine der künftigen Schlüsselindustrien mit einem geschätzten Marktpotenzial von 250 Milliarden Euro bis 2025 ein.