Kobalt gilt zwar nicht als einer der seltenen Rohstoffe, die in Batterien für Elektroautos – und für stationäre Stromspeicher – eingesetzt werden. Aber die Lagerstätten sind bisher nicht gründlich erschlossen. Zudem liegen mehr als die Hälfte der bekannten Reserven im Krisengebiet des südlichen Kongo, wo das silbergraue Metall unter widrigen Umständen zutage gefördert wird. Deshalb suchen Wissenschaftler schon länger nach einer Möglichkeit, das Kobalt aus den Batterien zu verbannen.
Höhere Energiedichte möglich
Entsprechende Elektroden haben die Wissenschaftler des Instituts für Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Raumforschung (DLR) in Stuttgart entwickelt. Im Rahmen des Projekts Hydra arbeiten sie zusammen mit weitere internationalen Partnern in Norwegen, Schweden, Großbritannien, Frankreich, Italien und Rumänien an einer neuen Zusammensetzung von Lithium-Akkus ohne Kobalt. Willkommener Nebeneffekt: Dadurch lasse sich auch die Energiedichte und die Leistung der Batterien verbessern.
Batterie auf Herz und Nieren testen
Die DLR-Forscher testen derzeit allerdings noch die tatsächliche Leistungsfähigkeit der Batterien und analysieren die elektrochemischen Prozesse, die beim Laden und Entladen im Inneren der Akkus ablaufen. Dazu laden sie die Batterien immer wieder auf und entladen sie anschließen. Dabei berücksichtigen sie unterschiedliche Betriebsbedingungen, wie sie auch im Alltag vorkommen. „Wir messen, wie sich die elektrische Leistung und die Speicherkapazität nach vielen hundert Lade- und Entladezyklen verändert, zum Beispiel bei hohem Leistungsbedarf, bei besonders schnellen Ladevorgängen sowie bei unterschiedlichen Temperaturen“, erklärt Dennis Kopljar, Leiter der Forschungsgruppe am DLR, die am Hydra-Projekt beteiligt ist. „Am Ende öffnen wir die Batteriezellen und schauen uns an, wie sich Struktur und Zusammensetzung der Materialien während des Betriebs verändert haben.“
An die Anforderungen anpassen
Auf der Basis dieser Erkenntnisse sumilieren die Partner des norwegischen Forschungsinstituts Sintef die chemischen und physikalischen Prozesse in den Batterien. So können sie die Elektrodenmaterialien und das Zelldesign schrittweise an unterschiedliche Anforderungen anpassen. „Dieses Wissen ist besonders für die Anwender relevant“, betont Dennis Kopljar vom DLR. Denn so beantworten die Forscher die Frage, wie viel Energie und welche Leistung ein Batteriesystem liefern kann und wie oft es geladen werden muss. Sie können so auch simulieren, welche Speicherfähigkeit die Batterien nach zehn Jahren im Einsatz haben. „Mit diesen Informationen können Konstrukteure Batteriesysteme und deren Betriebsmodi passend für die jeweilige Anwendung auslegen“, beschreibt Kopljar den Zweck des Forschungsaufwandes. (su)
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