Silicon is the most promising candidate as alternative anode active material for lithium-ion batteries. This is due to the potential to enable an increase in cell energy density by 20-40% based on its high volumetric as well as gravimetric capacity, low charge/discharge potential v. Li/Li+ and low hysteresis. Moreover, the high abundancy and the existing industrial infrastructure potentially enable access to products on large scale under economically attractive conditions. However, three major technical challenges resulting from the large volume change of silicon (up to 300%) during de-/lithiation still hamper the use of silicon-based anode materials: (i) Loss of electrical contact by electrochemical milling, (ii) loss of electrical contact by binder weakness and (iii) loss of capacity by initial and continuous irreversible lithium-ion loss due to SEI (re-)formation. All these effects sum up to a relatively fast capacity fading. Several material concepts currently under investigation including elemental silicon, silicon suboxide and silicon carbon composites will be discussed with respect to their potential to solve these problems.

Elektroautos gelten als wichtiger Baustein für die Dekarbonisierung des Verkehrssektors. Trotzdem stehen Elektroautos immer wieder in der Kritik, auch wegen ihrer Klimawirkung. Zwar gibt es mittlerweile eine Reihe von Studien zur Klimabilanz von Elektroautos und ihren Batterien, diese sind aber häufig nicht direkt miteinander vergleichbar. Eine Literaturauswertung zeigt, dass Rahmenbedingungen und Bilanzgegenstände sich zwischen Studien deutlich unterscheiden und einen großen Teil divergierender Ergebnisse erklären können. Die kritische Prüfung und Berücksichtigung dieser Grundlagen ist daher insbesondere für eine vergleichende Einordnung von Ergebnissen wichtig. Daten zur Batte-rieherstellung werden unter anderem aus Wettbewerbsgründen von nur wenigen Herstel-lern detailliert veröffentlicht. Die wenigen verfügbaren Daten werden daher häufig in meh-reren Studien genutzt und reflektieren teilweise nicht den aktuellen Stand der Technik oder nur einen Ausschnitt der weltweiten Batterieproduktion. Studienergebnisse zur Klimawirkung der Batterieherstellung weichen daher teilweise um ein Mehrfaches voneinander ab. Diese Unterschiede beeinflussen das Gesamtergebnis über den Lebensweg, selbst wenn dieser durch die Dominanz der Nutzungsphase begrenzt ist. Der Energieeinsatz ist dabei ein wichtiger Parameter der Batteriefertigung. Die weni-gen vorliegenden Daten zeigen hier eine besonders große Bandbreite. Diese ist aber wahr-scheinlich nicht allein durch Unsicherheiten bedingt, sondern spiegelt auch unterschiedliche Produktionsbedingungen wider und zeigt damit ein Verbesserungspotenzial auf. Der Klimabilanz eines Elektroautobeispiels über den Lebensweg zeigt dann selbst unter konservativen Annahmen für die Batterieherstellung nach 150.000 km durchgehend eine bessere Klimabilanz für das Elektroauto gegenüber dem Verbrenner und anderen alternati-ven Antriebskonzepten. Auch wenn in den nächsten Jahren keine weitere Verbesserung der Stromerzeugung realisiert wird, ist kaum mit einer schlechteren Klimabilanz des Elektroau-tos gegenüber dem Verbrenner zu rechnen. Klimanachteile gegenüber einem Verbrenner entstehen für ein Elektroauto in der Regel allein durch die Fahrzeugherstellung, vor allem durch die Batterie. Der Klimanachteil hängt daher auch von der Batteriekapazität ab. Die ifeu Bilanzierung eines Elektroautos mit einer Batteriekapazität von 35 kWh zeigt für die Herstellung des gesamten Fahrzeugs eine fast doppelt so hohe Klimawirkung wie bei vergleichbaren Verbrennungsfahrzeugen. Fast 40 % der Klimawirkung durch Herstellung von Elektroautos gehen auf die Herstellung der Batte-rie zurück. Der Energieeinsatz der Batteriefertigung ist dabei für den größten Teil der mit der Batterie verbundenen Klimawirkung verantwortlich, gefolgt von den Kathodenmaterialien. Auch wenn andere Studienergebnisse hier im Detail abweichen, bleiben diese Faktoren in vielen Analysen Haupttreiber der Klimabilanz von Batterien. Durch den hohen Anteil des Energie-einsatzes der Batteriefertigung kann die Gesamtklimabilanz der Batterieherstellung auch durch den Einsatz von erneuerbaren Energien deutlich verbessert werden. Verbesserungspotenziale können entsprechend der Sensitivitätsanalysen vor allem im Be-reich der Strombereitstellung und bei der Batterieherstellung erwartet werden. Bei hoher Produktionsauslastung in einem eingeschwungen Serienprozess können deutlich geringere Stromverbräuche im Fertigungsprozess der Batteriezellen erreicht werden. Durch neue Zellchemien (z.B. 6-2-2 NMC-Zellen) sind zudem deutlich höhere Energiedichten zu erwar-ten. Auch wird eine Fertigung mit einem stärker erneuerbar geprägten Strommix (wie z.B. in einigen Staaten Europas) die Batteriebilanz verbessern. Die Sensitivitätsbetrachtungen zu diesen Aspekten zeigen, dass die Klimawirkung der Batterieherstellung bei gleicher Ka-pazität mittelfristig etwa halbiert werden könnte. Ungeachtet vieler Unsicherheiten im Detail zeigen sowohl die Literaturauswertung als auch die eigene Modellierung und die Sensitivitätsanalysen, dass zukünftig eine deutliche Ver-besserung der Klimabilanz von Elektroautos möglich ist. Um dieses technische Verbesse-rungspotenzial zu heben, müssen die Rahmenbedingungen sowohl hinsichtlich Energiebe-reitstellung und Effizienz, als auch hinsichtlich der der Batterieherstellung aktiv gestaltet werden. Der reine Wechsel des Antriebskonzeptes und damit des Energieträgers greift für eine vollständige Verkehrswende jedoch zu kurz. Darüber hinaus ist eine umfassende Mobi-litätswende erforderlich um den Endenergieverbrauch im Verkehr zu senken ohne die Mobi-lität an sich einzuschränken.

Eine neue Generation prismatischer Lithium-Ionen-Zellen mit herausragenden Eigenschaften hinsichtlich Strombelastung sowie zyklischer Belastbarkeit hat die Firma Envites Energy federführend entworfen. Solche Batteriezellen sind besonders für die Elektromobilität gefragt (48V, Hybridfahrzeuge, Geräte). Weltmarktführende Eigenschaften hinsichtlich Energiedichte/Leistung und Lebensdauer/Sicherheit, Kosten sowie im ökologischen Fußabdruck sind die Grundlage. Solche Zellen sind in einer Ausführung bei 10 Ah Kapazität sehr hoch belastbar, bleiben dabei vergleichsweise kühl, erreichen bei Belastungen von 30 C über 96% Ihrer Kapazität bei stabiler Spannung und maximal ca. 26°C. Auch hinsichtlich der Energiedichte und Lebensdauer dieser Zellen sowie Ihrem Sicherheitsverhalten gibt es in diesem Segment am Weltmarkt noch keine Batteriezellen. Das Kobalt oder Nickel freie Material der Lithium-Ionen-Zellen mit keramischem Separator selbst ist vergleichsweise auch vorteilhaft temperaturstabil und somit sicherer. Die Kosten im patentierten Troika-Herstellungs- Prozess sind bei vergleichsweise deutlich besserer Nachhaltigkeit und Effizienz weltmarktfähig. Der Prozess ist industriell tauglich und vergleichsweise ist die Produktion selbst enorm energieeinsparend. In einer innovativen Rezeptur mit zusätzlichem Leitfähigkeitsadditiv hinsichtlich der Elektronen- wie Wärmeleitung konnten die vorzüglichen Zelleigenschaften erreicht werden. Während die Kathode mit 94% Aktivmaterial angesetzt wird, sind es bei der Anode- ausgeführt als Hybridanode- sogar über 94%. Keramische Separatoren tragen zur Langlebigkeit und Sicherheit des Zellsystems bei. Eine neuartige Elektrolytformulierung mit Additiven ist ein Schlüssel für die neuartigen Eigenschaften des Systems. Alle Komponenten sind so ausgewählt und entwickelt, dass diese in einer Produktionslösung einen am Weltmarkt konkurrenzfähigen Preis ausmachen. Die Materialien können auch in Europa bezogen werden. Zielgruppen sind Geräte - und Industriebatteriehersteller und Verwender, Elektromobilität (48V, Hybrid). Eine Produktion wird in Deutschland aufgebaut und je nach Marktinteresse fortentwickelt.

Dieser Basiskurs für Neu- und Quereinsteiger vermittelt Anwendern, Entwicklern und Entscheidungsträgern das notwendige Wissen über die Funktionsweise, die Entwicklungstendenzen und die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen wiederaufl adbaren Batteriesysteme mit einem starken Fokus auf Lithium-Ionen Batterien. Schwerpunkte des Seminars sind neben Grundlagen, Aktivmaterialien, Ladeverfahren, Sicherheit, Alterungsverhalten und Batteriemanagement auch die Batteriepackentwicklung und moderne Lithium-Ionen-Hochleistungszellen unterschiedlicher Chemien. Zusätzlich werden neue Entwicklungen bei Metall-Luft- und weiteren Systemen diskutiert sowie Gerätebatterien und Batterien für Hybridfahrzeuge berücksichtigt.