Akkus - Aufbau und wie wir sie schneller, leichter, haltbarer machen

  Solvay powers the future of batteries Click to enlarge

Als mobiler Energiespeicher sollen Akkus mit der modernen komplexer werdenden Technik Schritt halten. Dabei sollen sie umweltfreundlich und klein sein, aber trotzdem mehr Leistung bringen. Akkus sollen sich schnell laden lassen und länger halten. Innovative Werkstoffe für solche Akkus werden von meinem Team bei Solvay entwickelt 

Seit den 1990er Jahren werden Lithium-Ionen-Akkus verwendet. Sie sind praktisch wartungsfrei, sicher und bieten eine hohe Energiedichte.

So funktionieren Akkus

Will man Akkus verbessern, muss man verstehen, wie sie funktionieren. Das ist leicht, weil Lithium-Ionen-Akkus aus wenigen Komponenten bestehen. Am wichtigsten sind Kathode, Anode und Elektrolyt. Ein Separator trennt Anode und Kathode. Bindemittel bewirken, dass die aktiven Moleküle an der Kathode haften. 

How batteries work

Additive im Bindemittel geben Akkus spezielle Eigenschaften. So erhöhen sie zum Beispiel die Temperaturbeständigkeit. Andere Additive verringern die Selbstentladung.

Versorgt der Akku ein Gerät mit Strom, wandern Elektronen von der Anode zur Katode. Beim Laden des Akkus wandern die Elektronen von der Kathode durch den Separator zurück zur Anode.

Neue Werkstoffe für verbessertes Design

Unser Lithium-Ionen-Team erforscht, wie man mit neuen Stoffen die Akkuleistung steigern kann. Die größten Herausforderungen dabei sind, die von Nutzern geforderte hohe Energiedichte zu erreichen, Gestaltungsspielräume für die Akku-Hersteller zu schaffen, Verbrauchern mehr Sicherheit zu bieten und die Nachhaltigkeit der Akkus zu erhöhen.

Derzeitige Akku-Technologien nutzen Elektrolyten auf Basis von Lithiumsalzen und organischen Carbonaten. In Elektroautos müssen Autohersteller einen speziellen Schutz einbauen, um bei einem Verkehrsunfall das Bersten des Akku-Gehäuses und das Auslaufen des flüssigen Elektrolyten zu verhindern. Durch diesen Schutz erhöht sich allerdings das Fahrzeuggewicht erheblich, und das wiederum senkt die Gesamtumweltleistung des Fahrzeugs.

Bluely        

Diese Elektrofahrzeuge in Lyon (Frankreich) nutzen LiTFSI als Elektrolyt in den lithium-basierten Akkus. 

Solvay arbeitet außerdem an einem innovativen wasserbasierten Produktionsprozess ohne N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP). NMP ist ein toxisches Lösemittel, das traditionell zur Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus verwendet wird. Unser von der Europäischen Gemeinschaft gefördertes  LIFE+ GLEE-Projekt fokussiert sich auf eine alternative Technologie, bei der wasserbasierte Bindemittel eingesetzt werden, um NMP zu eliminieren. Die Technologie senkt die Herstellkosten und erhöht die Leistung und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus. 

LIFE+ GLEE has been awarded as the “Best in Class-Growth & Sustainability” by Fondazione Sodalitas

Das LIFE+ GLEE-Projekt ist im September 2015 von der Fondazione Sodalitas als branchenbestes Projekt im Hinblick auf Wachstum & Nachhaltigkeit” ausgezeichnet worden. 

Formbare Akkus

  Testing a LI-ION battery  Click to enlarge
Unser Ziel ist es, Gel-Elektrolyten und Festelektrolyten auf Polymerbasis zu entwickeln, die optimale Sicherheit bieten. Sie könnten bereits 2025 auf den Markt kommen. Diese Polymerelektrolyten vermindern das Risiko des Auslaufens flüssiger Elektrolyten. Sie sind nicht brennbar und erfüllen die hohen Anforderungen der Autohersteller. Feste Polymerelektrolyten bieten Akkuherstellern zudem mehr Gestaltungsspielraum. So könnte der Akku in derselben Form gestaltet werden wie das Objekt, das er mit Energie versorgt. Das würde eine neue Ära für tragbare Technologie einleiten und bewirken, dass der Akkuschutz in Fahrzeugen reduziert werden kann.

Maximale Energiespeicherung durch Solef® und F1EC

Das Gewicht spielt für uns eine besondere Rolle. Wir haben die Akku-Technologie für das Solarflugzeug Solar Impulse 2 mitentwickelt. Das Flugzeug hat mit seinem Langstrecken-Rekordflug über den Pazifik Geschichte geschrieben. Es fliegt Tag und Nacht ohne einen Tropfen Treibstoff - allein mit Sonnenenergie. Seine Akkus enthalten ein neues nicht-reaktives und nicht-entflammbares Bindemittel aus Solef® Polyvinyliden fluorid (PVDF). Das erhöht die Sicherheit, verbessert die Ladekapazität und erhöht die verfügbare Energie um zehn Prozent.



Unser Additiv F1EC  wird in Kombination mit anderen Lösemitteln in Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt. Es erhöht Lebensdauer und Kapazität. Da F1EC die Zersetzung von Anode und Elektrolyt vermindert, erhöht es die Zahl der möglichen Ladezyklen. Die Eigenschaften von F1EC werden in Bereichen genutzt, in denen es auf Leistung und Sicherheit ankommt, unter anderem für die Akkus von Solar Impulse.