Mit dem Ziel, maßgeschneiderte Kohlenstoffe für Hochenergie-Anoden sowohl in aktuellen Lithium-Ionen-Batterien als auch in Batteriesystemen der nächsten Generation zu entwickeln, hat das MEET Batterieforschungszentrum der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster das Projekt „CarbForBatt“ initiiert. Da synthetische Grafite neben Naturgrafiten zukünftig eine Schlüsselrolle als Anodenmaterialien einnehmen, müssen ökologische und sozioökonomische Herausforderungen in ihrer Wertschöpfung überwunden werden. Innerhalb des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens „CarbForBatt“ entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler deshalb nachhaltige Syntheserouten für synthetische Grafite aus Industrieabfällen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Projekt in den kommenden zwei Jahren mit 1,48 Millionen Euro.
„Naturgrafite und synthetische Grafite müssen zu einem Großteil aus Nicht-EU-Ländern importiert werden. Damit einher gehen Umweltbelastungen beim Abbau der Naturgrafite und ein hoher Energieaufwand bei der Herstellung synthetischer Grafite. Diese kommen künftig bevorzugt im exponentiell wachsenden Batteriemarkt für Elektroautos zum Einsatz“, sagt Dr. Tobias Placke, Projektmanager und Bereichsleiter Materialien am MEET Batterieforschungszentrum. Mit dem Projekt ‚CarbForBatt‘ verfolge man das Ziel, eine nachhaltige, innereuropäische Wertschöpfung für synthetische Grafite zu etablieren. Dafür identifizieren die Batterieforscher zunächst Vorläufermaterialien für synthetische Grafite, die mehrheitlich aus industriellen Abfall- und Nebenprodukten bestehen. Diese Kohlenstoffvorläufer überziehen sie anschließend bei Temperaturen zwischen 2.700 und 3.000 Grad Celsius mit einer Grafitschicht, grafitieren sie also. Die Förderung sieht dafür die Anschaffung eines induktiv beheizten Grafitierungsofens vor.
Hochperformante Lithium-Ionen-Batterien und Batteriesysteme der nächsten Generation
Damit die Materialien über die Partikelmorphologie und Oberflächeneigenschaften verfügen, die für besonders leistungsfähige Batterien notwendig sind, werden diese durch verschiedene Verfahren eingestellt. Beispiele sind Partikelsichtung, Abrundungsverfahren und Oberflächenmodifikation mittels eines sogenannten Taylor-Flow-Reaktors. Optimierte Mischprozesse für Grafit mit Silizium, das die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterie erhöht, sorgen dafür, dass neben synthetisierten Grafiten auch Grafit-Silizium-Komposite als Hochenergie-Anodenmaterialien hergestellt werden.
Diese Ansätze bilden die Grundlage für die Produktion maßgeschneiderter Grafite, die sowohl in der aktuell den Markt dominierenden Lithium-Ionen-Batterie als auch in Batteriesystemen der nächsten Generation zum Einsatz kommen können. Prof. Dr. Martin Winter, wissenschaftlicher Leiter des MEET Batterieforschungszentrums, erklärt: „Ausgehend vom Material verbessern wir so die elektrochemische Performanz von Lithium-Ionen-Batterien und setzen dabei gleichzeitig auf nachhaltige Materialien und Prozesse.“
WWU Münster
Titelbild: Eine Wissenschaftlerin an einem Grafitierungsofen. Ein ähnliches Gerät möchte das Projektteam im Zuge der Förderung anschaffen./© MEET - Judith Kraft