Bessere Batterien
Gut geladen in die Zukunft
6. März 2025 agvs-upsa.ch – Mit dem ambitionierten Ziel, Batterien für Elektroautos zu verbessern, startete 2020 das vierjährige EU-Projekt Sense unter Leitung der Empa. Tatsächlich gelang den elf Teams aus Forschung und Industrie die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie der nächsten Generation: höhere Energiedichte, günstigere Umweltbilanz, verbesserte Schnellladefähigkeit und Wirtschaftlichkeit.
Das Ziel von Sense, bestehend aus elf Teams, waren Lösungen für Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation. Foto: Coventry University
pd. Nach 2035 sollen in Europa keine neuen Autos mit Verbrennungsmotoren mehr verkauft werden. Um dieses hoch gesteckte Ziel zu erreichen, braucht es vor allem bessere Akkus, damit Elektroautos schneller laden, längere Strecken fahren und einen kleineren ökologischen Fussabdruck haben. Eine Vielzahl an grossen Forschungsprojekten unterstützt die Batterie- und Autoindustrie bei der Entwicklung der Akkus der Zukunft. Eines davon, ein «Horizon 2020»-Projekt namens Sense, ist Anfang 2024 zu einem erfolgreichen Abschluss gekommen.
Initiiert und geleitet wurde das vierjährige EU-Projekt mit einem Gesamtbudget von über zehn Millionen Euro von Forschenden des Empa-Labors «Materials for Energy Conversion». Zum Zeitpunkt der Ausschreibung war das relativ junge Labor noch kaum bekannt auf dem Gebiet der Batterieforschung. Laborleiter Corsin Battaglia wusste: Um Teil eines europäischen Batterieprojekts zu sein, müssten er und seine Forschenden selbst eins auf die Beine stellen. Das gelang: Battaglia und sein Mitarbeiter Ruben-Simon Kühnel konnten akademische Institutionen und Industriefirmen aus der ganzen Welt an Bord holen und gewannen die Ausschreibung.
Technologien für heute
Das Ziel von Sense war pragmatisch und ambitioniert zugleich. Die elf Teams wollten Lösungen für Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation – der nächsten, betont Battaglia, und nicht etwa der übernächsten. Will heissen: Nach Abschluss des Projekts sollten die entwickelten Materialien und Technologien möglichst nahe an der Produktion im industriellen Massstab und somit am Einsatz in Elektroautos stehen. «Wir forschen auch an Batterietechnologien, die potenziell um Welten besser sind als Lithium-Ionen-Akkus – nachhaltiger, sicherer, mit höherer Energiedichte», sagt Battaglia. «Aber es dauert noch einige Jahre, bis sie industriell hergestellt werden können. In Sense wollten wir Technologien entwickeln, die in wenigen Jahren in Elektroautos verbaut werden können.»
Die entwickelten Materialien und Technologien sollen für die industrielle Produktion und somit den Einsatz in Elektroautos genutzt werden. Foto: FPT Motorenforschung AG
Dafür durchliefen die Projektmitglieder in nur vier Jahren beinahe die gesamte Wertschöpfungskette der Batterieherstellung: von der Entwicklung neuer Materialien über deren Skalierung bis hin zum Einbau in Batteriezellen. Die etwa Smartphone-grossen Zellen wurden vom Austrian Institute of Technology (AIT) hergestellt. Die FPT Motorenforschung AG, das Innovationszentrum der Marke FPT Industrial, die zur Iveco-Gruppe gehört, konnte sie daraufhin in ein fixfertiges Modul einbauen, wie es in einem elektrischen Fahrzeug verbaut wird – samt der dazugehörigen Elektronik und Software.
Alle Komponenten weiterentwickelt
Das Sense-Modul weist einige Verbesserungen gegenüber heutigen Akkus auf: Eine höhere Energiedichte und eine günstigere Umweltbilanz, verbesserte Schnellladefähigkeit und erhöhte Brandsicherheit – und natürlich Wirtschaftlichkeit. Alle Kernkomponenten der Batterie wurden weiterentwickelt. Die Kathode enthält nur halb so viel des kritischen Rohstoffs Kobalt wie heutige Akkus. In der Anode konnten die Projektteams einen Teil des Grafits – gerade wegen der Batterieherstellung ebenfalls als kritisch eingestuft – durch Silizium ersetzen, eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste.
Auch der Elektrolyt – die Flüssigkeit, die Ionen zwischen den Elektroden überträgt und so das Laden und Entladen der Batterie ermöglicht – wurde verbessert. Hier waren die Empa-Forschenden federführend. «Herkömmliche Elektrolyten sind brennbar», erklärt Empa-Forscher Kühnel. «Wir konnten die Brennbarkeit durch bestimmte Zusätze stark reduzieren, ohne dabei die Leitfähigkeit zu beeinträchtigen, die für schnelles Laden und Entladen zentral ist.» Um die Schnellladefähigkeit weiter zu verbessern, entwickelte die britische Coventry University gemeinsam mit der FPT Motorenforschung AG ausserdem ein ausgeklügeltes Temperaturmanagementsystem für das Pilot-Modul. Sensoren, die direkt in den Zellen eingebettet sind, überwachen die Temperatur innerhalb der Batterie in Echtzeit. Ein eigens dafür entwickelter Algorithmus kann die Zelle dann immer genau so schnell laden, dass sie nicht durch Überhitzung beschädigt wird.
Als grössten Erfolg des Projekts nennen Battaglia und Kühnel die Skalierbarkeit und den direkten Transfer in die Industrie. Die beteiligten Industriefirmen konnten für die Neuentwicklungen aus Sense mehrere Patente anmelden, Pilotproduktionsanlagen bauen und Investorengelder sichern, sowie ihr erworbenes Wissen in weitere Batterietechnologien einfliessen lassen. Die Chemiefirma Huntsman hat den Leitzusatz, der in den Sense-Elektroden zum Einsatz kam, sogar bereits auf den Markt gebracht, wo er nun Batterieherstellern zur Verfügung steht.
Hergestellt werden die etwa Smartphone-grossen Zellen vom Austrian Institute of Technology (AIT). Foto: Coventry University
Der nächste Schritt
Ganz ohne Hürden verlief dieser Weg zum Erfolg nicht. Neben den grossen organisatorischen Herausforderungen durch die Pandemie, die instabilen Lieferketten und die steigenden Rohstoff- und Energiepreise gab es auch technische Schwierigkeiten. So sind die Prototypzellen noch nicht so stabil, wie es das Projektteam gerne hätte. Auch die Skalierung, obschon erfolgreich, ist noch lange nicht abgeschlossen. «Wir haben alle Neuentwicklungen vom Labor- auf den Pilotmassstab skaliert», sagt Battaglia. «Für die Produktion in einer sogenannten Gigafactory, zum Beispiel unseres Projektpartners Northvolt, mit einer jährlichen Produktionskapazität von mehreren Gigawattstunden an Batterien, müsste die ganze Materialherstellung noch einmal um den Faktor 1000 hochskaliert werden.» Dafür ist der Einsatz der Industrie gefragt.
Die Empa-Forschenden wenden sich unterdessen bereits dem nächsten europäischen Batterieprojekt zu. Sense hatte nämlich drei Schwesterprojekte, die in der gleichen Ausschreibung finanziert wurden. «Wir haben einen Cluster für Batterieforschung gegründet und tauschen uns regelmässig aus», so Kühnel. Die Koordinatoren der vier Projekte haben nun ein gemeinsames «Horizon Europe»-Forschungsprojekt namens Intelligent lanciert. Das Ziel: die Entwicklung von kobaltfreien Hochvoltzellen für Elektroautos.
Die Zellen wurden anschliessend in ein fixfertiges Modul eingebaut, wie es in einem elektrischen Fahrzeug verbaut wird – samt der dazugehörigen Elektronik und Software. Foto: FPT Motorenforschung AG
Das Projekt Sense
Das «Horizon 2020»-Projekt Sense (Eigenschreibweise «SeNSE») hatte zum Ziel, die nächste Generation von Lithium-Ionen-Akkus zu entwickeln und die europäische Batterieindustrie zu stärken. Das vierjährige Projekt wurde von der EU mit zehn Millionen Euro unterstützt und von der Empa geleitet. Beteiligt waren die akademischen Institutionen Universität Münster, das Helmholtz-Institut Münster, die britische Coventry University, das AIT Austrian Institute of Technology und das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) sowie mehrere Industriepartner: der schwedische Batteriehersteller Northvolt, das Schweizer Innovationszentrum von FPT Industrial, die FPT Motorenforschung AG, die französischen Start-ups Solvionic und Enwires sowie der Chemiekonzern Huntsman, mit Forschungsstandort in Basel.
Das Ziel von Sense, bestehend aus elf Teams, waren Lösungen für Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation. Foto: Coventry University
pd. Nach 2035 sollen in Europa keine neuen Autos mit Verbrennungsmotoren mehr verkauft werden. Um dieses hoch gesteckte Ziel zu erreichen, braucht es vor allem bessere Akkus, damit Elektroautos schneller laden, längere Strecken fahren und einen kleineren ökologischen Fussabdruck haben. Eine Vielzahl an grossen Forschungsprojekten unterstützt die Batterie- und Autoindustrie bei der Entwicklung der Akkus der Zukunft. Eines davon, ein «Horizon 2020»-Projekt namens Sense, ist Anfang 2024 zu einem erfolgreichen Abschluss gekommen.
Initiiert und geleitet wurde das vierjährige EU-Projekt mit einem Gesamtbudget von über zehn Millionen Euro von Forschenden des Empa-Labors «Materials for Energy Conversion». Zum Zeitpunkt der Ausschreibung war das relativ junge Labor noch kaum bekannt auf dem Gebiet der Batterieforschung. Laborleiter Corsin Battaglia wusste: Um Teil eines europäischen Batterieprojekts zu sein, müssten er und seine Forschenden selbst eins auf die Beine stellen. Das gelang: Battaglia und sein Mitarbeiter Ruben-Simon Kühnel konnten akademische Institutionen und Industriefirmen aus der ganzen Welt an Bord holen und gewannen die Ausschreibung.
Technologien für heute
Das Ziel von Sense war pragmatisch und ambitioniert zugleich. Die elf Teams wollten Lösungen für Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation – der nächsten, betont Battaglia, und nicht etwa der übernächsten. Will heissen: Nach Abschluss des Projekts sollten die entwickelten Materialien und Technologien möglichst nahe an der Produktion im industriellen Massstab und somit am Einsatz in Elektroautos stehen. «Wir forschen auch an Batterietechnologien, die potenziell um Welten besser sind als Lithium-Ionen-Akkus – nachhaltiger, sicherer, mit höherer Energiedichte», sagt Battaglia. «Aber es dauert noch einige Jahre, bis sie industriell hergestellt werden können. In Sense wollten wir Technologien entwickeln, die in wenigen Jahren in Elektroautos verbaut werden können.»
Die entwickelten Materialien und Technologien sollen für die industrielle Produktion und somit den Einsatz in Elektroautos genutzt werden. Foto: FPT Motorenforschung AG
Dafür durchliefen die Projektmitglieder in nur vier Jahren beinahe die gesamte Wertschöpfungskette der Batterieherstellung: von der Entwicklung neuer Materialien über deren Skalierung bis hin zum Einbau in Batteriezellen. Die etwa Smartphone-grossen Zellen wurden vom Austrian Institute of Technology (AIT) hergestellt. Die FPT Motorenforschung AG, das Innovationszentrum der Marke FPT Industrial, die zur Iveco-Gruppe gehört, konnte sie daraufhin in ein fixfertiges Modul einbauen, wie es in einem elektrischen Fahrzeug verbaut wird – samt der dazugehörigen Elektronik und Software.
Alle Komponenten weiterentwickelt
Das Sense-Modul weist einige Verbesserungen gegenüber heutigen Akkus auf: Eine höhere Energiedichte und eine günstigere Umweltbilanz, verbesserte Schnellladefähigkeit und erhöhte Brandsicherheit – und natürlich Wirtschaftlichkeit. Alle Kernkomponenten der Batterie wurden weiterentwickelt. Die Kathode enthält nur halb so viel des kritischen Rohstoffs Kobalt wie heutige Akkus. In der Anode konnten die Projektteams einen Teil des Grafits – gerade wegen der Batterieherstellung ebenfalls als kritisch eingestuft – durch Silizium ersetzen, eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste.
Auch der Elektrolyt – die Flüssigkeit, die Ionen zwischen den Elektroden überträgt und so das Laden und Entladen der Batterie ermöglicht – wurde verbessert. Hier waren die Empa-Forschenden federführend. «Herkömmliche Elektrolyten sind brennbar», erklärt Empa-Forscher Kühnel. «Wir konnten die Brennbarkeit durch bestimmte Zusätze stark reduzieren, ohne dabei die Leitfähigkeit zu beeinträchtigen, die für schnelles Laden und Entladen zentral ist.» Um die Schnellladefähigkeit weiter zu verbessern, entwickelte die britische Coventry University gemeinsam mit der FPT Motorenforschung AG ausserdem ein ausgeklügeltes Temperaturmanagementsystem für das Pilot-Modul. Sensoren, die direkt in den Zellen eingebettet sind, überwachen die Temperatur innerhalb der Batterie in Echtzeit. Ein eigens dafür entwickelter Algorithmus kann die Zelle dann immer genau so schnell laden, dass sie nicht durch Überhitzung beschädigt wird.
Als grössten Erfolg des Projekts nennen Battaglia und Kühnel die Skalierbarkeit und den direkten Transfer in die Industrie. Die beteiligten Industriefirmen konnten für die Neuentwicklungen aus Sense mehrere Patente anmelden, Pilotproduktionsanlagen bauen und Investorengelder sichern, sowie ihr erworbenes Wissen in weitere Batterietechnologien einfliessen lassen. Die Chemiefirma Huntsman hat den Leitzusatz, der in den Sense-Elektroden zum Einsatz kam, sogar bereits auf den Markt gebracht, wo er nun Batterieherstellern zur Verfügung steht.
Hergestellt werden die etwa Smartphone-grossen Zellen vom Austrian Institute of Technology (AIT). Foto: Coventry University
Der nächste Schritt
Ganz ohne Hürden verlief dieser Weg zum Erfolg nicht. Neben den grossen organisatorischen Herausforderungen durch die Pandemie, die instabilen Lieferketten und die steigenden Rohstoff- und Energiepreise gab es auch technische Schwierigkeiten. So sind die Prototypzellen noch nicht so stabil, wie es das Projektteam gerne hätte. Auch die Skalierung, obschon erfolgreich, ist noch lange nicht abgeschlossen. «Wir haben alle Neuentwicklungen vom Labor- auf den Pilotmassstab skaliert», sagt Battaglia. «Für die Produktion in einer sogenannten Gigafactory, zum Beispiel unseres Projektpartners Northvolt, mit einer jährlichen Produktionskapazität von mehreren Gigawattstunden an Batterien, müsste die ganze Materialherstellung noch einmal um den Faktor 1000 hochskaliert werden.» Dafür ist der Einsatz der Industrie gefragt.
Die Empa-Forschenden wenden sich unterdessen bereits dem nächsten europäischen Batterieprojekt zu. Sense hatte nämlich drei Schwesterprojekte, die in der gleichen Ausschreibung finanziert wurden. «Wir haben einen Cluster für Batterieforschung gegründet und tauschen uns regelmässig aus», so Kühnel. Die Koordinatoren der vier Projekte haben nun ein gemeinsames «Horizon Europe»-Forschungsprojekt namens Intelligent lanciert. Das Ziel: die Entwicklung von kobaltfreien Hochvoltzellen für Elektroautos.
Die Zellen wurden anschliessend in ein fixfertiges Modul eingebaut, wie es in einem elektrischen Fahrzeug verbaut wird – samt der dazugehörigen Elektronik und Software. Foto: FPT Motorenforschung AG
Das Projekt Sense
Das «Horizon 2020»-Projekt Sense (Eigenschreibweise «SeNSE») hatte zum Ziel, die nächste Generation von Lithium-Ionen-Akkus zu entwickeln und die europäische Batterieindustrie zu stärken. Das vierjährige Projekt wurde von der EU mit zehn Millionen Euro unterstützt und von der Empa geleitet. Beteiligt waren die akademischen Institutionen Universität Münster, das Helmholtz-Institut Münster, die britische Coventry University, das AIT Austrian Institute of Technology und das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) sowie mehrere Industriepartner: der schwedische Batteriehersteller Northvolt, das Schweizer Innovationszentrum von FPT Industrial, die FPT Motorenforschung AG, die französischen Start-ups Solvionic und Enwires sowie der Chemiekonzern Huntsman, mit Forschungsstandort in Basel.
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