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„Wir vertrauen der Wissenschaft“: E-Lyte und das Potenzial der Elektrolyte
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Autor: Die Redaktion
Veröffentlicht am: 28.05.2021
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Der Elektrolyt: von entscheidender Bedeutung für die Funktionsfähigkeit der Lithium-Ionen-Batterie – und trotzdem nur selten im Fokus. Dr. Ralf Wagner ist Geschäftsführer der E-Lyte Innovations GmbH, einem deutschen Hersteller von Elektrolyten für eine Vielzahl von Energiespeichersystemen wie z.B. der Lithium-Ionen-Batterie. Im Interview mit „Battery-News.de“ spricht er über Marktperspektiven und technologische Entwicklungsschritte.
Battery-News.de: Herr Wagner, was begeistert Sie am Thema „Elektrolyt“ und welches Ziel verfolgt Ihr Unternehmen?
Wagner: Es ist vor allem die Komplexität im Zusammenspiel der unterschiedlichen Materialien, die mich fasziniert. Der Elektrolyt ist sozusagen das „Herzblut“ einer jeden Batterie, der den Lithium-Ionen-Transport in der Zelle überhaupt ermöglicht. In den meisten Fällen ist er ein flüssiges Multikomponentensystem, bestehend aus einer Mischung von Lithium-Salzen, Lösungsmitteln und verschiedenen Performance-Additiven – sozusagen das Salz in der Suppe. Die große Kunst bei der Zusammenstellung dieser Komponenten besteht darin, Synergien zu fördern und den Elektrolyten mit Blick auf die unterschiedlichen Anwendungsfelder der Batterien maßzuschneidern. Seit mehr als zehn Jahren arbeite ich nun im Themenbereich Elektrolyte – angefangen als Doktorand im MEET-Batterieforschungszentrum der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und jetzt als Mitgründer und Geschäftsführer der E-Lyte Innovations GmbH. Unsere Mission ist es, die perfekt passende Elektrolyt-Lösung für jeden Energiespeicher zu entwickeln und zu produzieren.
„Seit der Einführung der Lithium-Ionen-Zelle im Jahr 1991 hat sich der kommerzielle Elektrolyt vergleichsweise kaum weiterentwickelt.“
Battery-News.de: Da dürfte es viel zu tun geben …
Wagner: Allerdings! Seit der Einführung der Lithium-Ionen-Zelle durch Sony im Jahr 1991 hat sich der kommerzielle Elektrolyt im Vergleich zu den Anoden- und Kathodenmaterialien kaum weiterentwickelt. Dabei ist wichtig zu erwähnen, dass die Auswahl des richtigen Elektrolyten die Lithium-Ionen-Technologie aber überhaupt erst ermöglicht hat. Mit dem Aufkommen neuer Zellchemien – also etwa Silizium auf der Anodenseite oder nickelreichen Übergangsmetalloxiden für die Kathode – sowie Batterien für herausfordernde Anwendungsprofile ist der Standard-Elektrolyt nicht mehr ausreichend. Man hat schnell erkannt, dass die Grenzflächen zwischen Elektrolyt und Anode sowie zwischen Elektrolyt und Kathode die Performance der Zellen maßgeblich beeinflussen. Deshalb wird die Bezeichnung des Elektrolyten als „Inaktivmaterial“ in der Lithium-Ionen-Zelle seiner entscheidenden Rolle eigentlich gar nicht gerecht.
„Thermodynamisch gesehen, kann die Lithium-Ionen-Technologie nicht funktionieren, da kein Elektrolyt gegenüber lithiiertem Graphit stabil ist.“
Battery-News.de: Welche Faktoren genau werden durch die Wahl des Elektrolyten beeinflusst, und wie groß kann man sich diesen Einfluss in der Batteriezelle vorstellen?
Wagner: Der Elektrolyt steht als einzige Komponenten mit allen anderen in der Lithium-Ionen-Zelle in direktem physischem Kontakt. Er muss deshalb mit all diesen Komponenten kompatibel sein. Das ist vor allem mit Blick auf die Elektrodenpotentiale solcher Batterien eine große Herausforderung. Thermodynamisch gesehen, kann die Lithium-Ionen-Technologie nicht funktionieren, da kein Elektrolyt gegenüber lithiiertem Graphit stabil ist: Beim ersten Laden der Lithium-Ionen-Zelle wird der Elektrolyt elektrochemisch auf der Anode zersetzt.
Battery-News.de: Was problematisch ist …
Wagner: Richtig. Jetzt wird es etwas technischer: Die Zersetzungsprodukte scheiden sich als Salze und Polymere auf der Anode ab und bilden eine dichte Grenzphase an der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode, die den Elektrolyten vor weiterer Zersetzung schützt und die Grenzfläche stabilisiert. Durch gezielte Auswahl der einzelnen Elektrolytkomponenten lässt sich die Zusammensetzung dieser Grenzphase anpassen, womit der interne Widerstand der Zellen und die Tieftemperatur-Performance der Zellen maßgeblich beeinflusst werden kann. Es kommen daher Opferadditive zum Einsatz, die sich vor dem Bulk-Elektrolyten zersetzten, um die Zusammensetzung der Grenzphase maßzuschneidern. Neben der Tieftemperatur-Performance lässt sich durch den Elektrolyten auch die Hochtemperatur-Performance beeinflussen – vornehmlich mit der Auswahl der Lithium-Salze und Lösungsmittel –, daneben aber auch die Gasentwicklung in der Zelle, die zyklische und kalendarische Lebensdauer, die Leistungsdichte, die Energiedichte, die intrinsische Sicherheit und die Selbstentladungsrate.
„Oft ist es weder möglich noch sinnvoll, alle Parameter gleichermaßen zu optimieren.“
Battery-News.de: Das sind sehr viele Faktoren.
Wagner: Das stimmt, allerdings ist es oft nicht möglich oder auch gar nicht sinnvoll, alle diese Parameter gleichermaßen zu optimieren, so dass man einen bestmöglichen Kompromiss finden muss. Deshalb gibt es auch keinen universal einsetzbaren Elektrolyten, und jeder Elektrolyt sollte gezielt für die vorgesehene Anwendung optimiert werden.
„Das kann auch für Nischenanwendungen mit sehr speziellen Anforderungen hochinteressant sein.“
Battery-News.de: Als Produzent von Elektrolyten bieten Sie genau diese Möglichkeit: je nach Kundenwunsch individualisierte Rezepturen herzustellen. Was sind die wesentlichen Stellschrauben, und worin unterscheiden sich Massenmarkt-Artikel aus Asien von den Elektrolyten, die Sie entwickeln und produzieren?
Wagner: Einer der am meisten nachgefragten Elektrolyten in Europa ist eine Formulierung bestehend aus dem Leitsalz Lithium Hexafluorophosphat (LiPF6) in einer organischen Lösungsmittelmischung aus Ethylencarbonat (EC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) und dem grenzphasenbildenden Additiv Vinylencarbonat (VC). Dieser Elektrolyt funktioniert für eine Zellchemie auf Basis von Graphit auf der Anodenseite und Übergangsmetalloxiden mit niedrigem Nickel-Anteil auf der Kathode im Temperaturbereich von 0 bis 55 Grad Celsius und bis zu einer Abschlussspannung von 4,3 Volt sehr gut. Sobald man von einem der Parameter hinsichtlich Zellchemie, Temperaturfenster oder Spannungsbereich abweicht oder der Fokus auf die Sicherheit oder Energiedichte auf Zelllevel gelegt wird, kann der Elektrolyt deutlich verbessert werden. Bei E-Lyte wählen wir jede Elektrolytkomponente gezielt nach den Anforderungen des Kunden mit Hinsicht auf die spätere Anwendung aus. Das kann auch für Nischenanwendungen mit sehr speziellen Anforderungen hochinteressant sein, da wir häufig enorme Verbesserungen gegenüber einem Standard-Elektrolyten erreichen.
„Für die Zeit ab 2022 planen wir, deutlich größere Mengen zu produzieren.“
Battery-News.de: Wo stehen Sie heute und wie sehen die Pläne von E-Lyte mit Blick auf die Produktion aus? Wann und in welchem Maßstab planen Sie die eigene Elektrolytherstellung?
Wagner: Die E-Lyte Innovations GmbH wurde im Mai 2019 als Start-up-Unternehmen aus dem MEET-Batterieforschungszentrum gegründet. Vorausgegangen war eine Vorgründungsförderung durch das Programm „EXIST“-Forschungstransfer. Zunächst haben wir uns auf die kundenspezifische Entwicklung von Elektrolyten und das Benchmarking neuer Elektrolytkomponenten im Kundenauftrag fokussiert, was auch heute noch zu unserem stärksten Geschäftsbereich zählt. Seit Februar 2020 produzieren wir Elektrolyte im Kleingebindemaßstab zwischen 25 Gramm und 20 Kilo. Bei der Zellchemie bedienen wir heute schon die wichtigsten Energiespeichertechnologien – unter anderem Lithium-Ionen, Lithium-Schwefel, Natrium-Ionen und Supercaps. Kunden sind kleine bis mittelständische Zellhersteller ebenso wie Forschungseinrichtungen und Universitäten. Für die Zeit ab 2022 planen wir, deutlich größere Mengen in Fassgrößen von bis zu 200 Kilogramm und in „Intermediate Bulk Containern“ zu produzieren.
„Wir arbeiten an einer effizienten Recyclinglösung.“
Battery-News.de: Der Elektrolyt zählt leider auch zu den gesundheits- und umweltkritischen Bestandteilen der Batterie. Welche Ansätze für einen nachhaltigen Umgang verfolgen Sie mit Blick auf weniger kritische Rezepturen und eventuelles Recycling?
Wagner: Elektrolyte werden in bestehenden Recycling-Verfahren von Lithium-Ionen-Batterien nicht in ausreichendem Maße zurückgewonnen und unterliegen einem Downcycling beziehungsweise werden thermisch verwertet. Vor allem die Leitsalze besitzen aber einen signifikanten Materialwert und enthalten ressourcenkritische Elemente, etwa Lithium, Fluor und Phosphor. Vor allem das Leitsalz LiPF6, das weiterhin in fast allen Elektrolyten enthalten ist, bildet beim Batterierecycling ein Sicherheitsrisiko, da sich giftige und korrosive Stoffe – wie Fluorwasserstoff – und Organofluorophosphate sehr leicht daraus bilden können. Bei E-Lyte wollen wir diesen Umstand schnellstmöglich beheben. Deshalb arbeiten wir an einer effizienten Recyclinglösung für Elektrolyte, um die einzelnen Komponenten effektiv aus den bestehenden Recyclingprozessen zu separieren und unserer Produktion wieder zuzuführen. Bei der Elektrolytentwicklung und Formulierung gehen wir natürlich auf unsere Kunden ein und versuchen, besonders kritische Komponenten bestmöglich zu ersetzen.
„Wir beteiligen uns nicht an täglichen Spekulationen um die beste Feststoffbatterie.“
Battery-News.de: Wie entwickelt sich das Thema „Elektrolyt“ – auch im Rahmen der Festkörperbatterie, die am Markt immer präsenter wird – womöglich in näherer Zukunft?
Wagner: Die unterschiedlichen Feststoffbatterietechnologien werden mit Sicherheit schon bald in Nischenanwendungen den Batteriemarkt bereichern. Wir nutzen ja auch heute schon viele unterschiedliche Batterietechnologien – selbst noch Bleiakkumulatoren, die bereits 1859 erfunden wurden –, und entwickeln sie stetig weiter. Die unterschiedlichen Feststoffbatterietechnologien werden die bestehenden Batterietechnologien aber vorerst nicht im Volumenmarkt ersetzen. Die Lithium-Ionen-Technologie hat hier einen immensen Kostenvorteil auf Zelllevel. Auf Packlevel und bei der Systemintegration können sich aber aufgrund der Möglichkeit zum bipolaren Stapeln von Elektroden auf Zelllevel Kostenvorteile für die Feststoffbatterie ergeben. Die Lithium-Ionen-Technologie ist seit drei Jahrzehnten am Markt und eine sehr sichere Technologie mit sehr hoher Marktdurchdringung im alltäglichen Leben. Feststoffbatterien befinden sich hingegen weitgehend noch im Entwicklungsstadium und erleben einen Investoren-Hype. Bei E-Lyte vertrauen wir der Wissenschaft. Wir beteiligen uns nicht an täglichen Spekulationen um die beste Feststoffbatterie. Selbstverständlich sind wir aber technologieoffen und verfolgen die wissenschaftliche Literatur auch auf diesem Fachgebiet.
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