Battery-News.de – Nachgefragt bei Dr. Matthias Künzel: „Für jeden Batteriebestandteil sollte genau überprüft werden, ob die verwendeten Materialien langfristig verfügbar und umweltfreundlich sind“

Autor: Benedikt Hürter

Veröffentlicht am: 22.05.2020

Nachhaltigkeit in der Batterieproduktion und die Zukunft der Batterietechnologie – wir sprachen mit dem Nachwuchswissenschaftler Dr. Matthias Künzel vom Helmholtz-Institut Ulm. Er studierte Molecular Nano Science an der Universität Erlangen-Nürnberg und promovierte anschließend im Bereich der physikalischen Chemie am Karlsruher Institut für Technologie.

B. Hürter: Lieber Herr Dr. Künzel, Sie arbeiten als junger Nachwuchswissenschaftler am Helmholtz-Institut Ulm an nachhaltigen Batteriekonzepten. Wodurch kam die Faszination für die Batterie ursprünglich zustande?

Dr. Künzel: Tatsächlich ist es die Faszination für Elektrochemie, welche mich schon mein ganzes Studium über begleitet und schlussendlich zur Batterieforschung geführt hat: Ich hatte das große Glück, einen sehr motivierten jungen Dozenten zu haben, der die Elektrochemie in Erlangen quasi wieder zum Leben erweckt hat, nachdem diese, wie an so vielen deutschen Unis, ein wenig aus der Mode gekommen war. Durch seine Initiative hatten wir die großartige Möglichkeit, in einer sehr kleinen Gruppe von nur 6 Studierenden tiefe Einblicke in die Elektrochemie zu bekommen. Zum Abschluss meines Studiums hatte ich dann während der Masterarbeit zum ersten Mal Kontakt mit der Batterieforschung, welche ein für mich so faszinierend interdisziplinäres Feld ist. Jede erdenkliche Disziplin der Chemie (und dazu noch Physik und Ingenieurwesen) findet Eingang in die Batterieentwicklung, von organischer oder anorganischer Synthese bis hin zu Prozessmodellierung und computergestützter Chemie. Diese einmalige Mischung hat mich bis heute nicht mehr losgelassen.

B. Hürter: Sie befassen sich unter anderem mit einer umweltfreundlicheren Batterieproduktion. Welche Themen sollten hier adressiert werden?

Dr. Künzel: Der Begriff Lithium-Ionen-Batterie ist sehr eng mit Nachhaltigkeit und umweltfreundlicher (Elektro)Mobilität verknüpft. Unweigerlich sind batteriebetriebene Elektroautos ein Schlüsselelement für das Erreichen unserer Klimaziele wie (lokale) CO₂-Neutralität. Damit diese Rechnung am Ende aber auch wirklich aufgeht, dürfen wir von der Stromerzeugung bis zu den Rohmaterialien, die Eingang in die Zellfertigung finden, keine großen Kompromisse machen. Für jeden Batteriebestandteil sollte genau überprüft werden, ob die verwendeten Materialien langfristig verfügbar und umweltfreundlich sind, besonders in Anbetracht der erwarteten millionenfachen Nachfrage für Elektroautos in naher Zukunft. Die Forschungslandschaft in Deutschland hat das erkannt und es wird nun viel häufiger genauer nachgefragt, wenn es beispielsweise um kritische Rohmaterialien wie Kobalt geht oder darum, eine Ökobilanz für den gesamten Lebenszyklus aufzustellen, um neue Batterietypen zu evaluieren. Dies ist wichtig, um das Vertrauen der Politik und Bevölkerung in die Zukunftstechnologie der Batterie als nachhaltigen Energiespeicher langfristig zu erhalten.

B. Hürter: Welche Themen sind im Zusammenhang einer umweltfreundlichen Batterieproduktion besonders herausfordernd?

Dr. Künzel: Ein schwieriges Thema hatte ich schon mehrfach angeschnitten, und zwar die teilweise knappen und kritischen Rohmaterialien. Während immer mehr Studien davon ausgehen, dass es wohl auf lange Sicht und mit den stetig wachsenden Anstrengungen in Sachen Zellrecycling genügend und auch nachhaltige Lithium-Reserven gibt, steht Kobalt weiter ganz oben auf der Liste kritischer Materialien. Kobalt ist nicht nur knapp und teuer, sondern wurde in der Vergangenheit in politisch weniger stabilen Regionen und unter mitunter fragwürdigen Bedingungen abgebaut. Auch wenn viele OEMs und Materialhersteller nun begonnen haben, die Wertschöpfungskette bis zurück zu den Minen verantwortungsbewusst und transparent offenzulegen, kommt eine nachhaltige Batterie idealerweise ohne Kobalt aus. Dies ist durchaus eine Herausforderung, aber zusammen mit bspw. dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und der Universität Ulm, aber auch vielen anderen Partnern – sowohl national als auch international, arbeiten wir schon über einen längeren Zeitraum in verschiedenen Projekten sehr erfolgreich an kobaltfreien Kathodenmaterialien. Eine weitere große Herausforderung ist die Vermeidung von schädlichen organischen Lösungsmitteln und fluorierten Polymeren als Binder bei der Elektrodenfertigung. Um energieintensive Trocknungs- und Abluftreinigungsprozesse einzusparen, sind wasserlösliche Polymere hier der ideale Ersatz. Diese sind nicht nur günstiger, sondern auch wesentlich umweltfreundlicher und deutlich leichter zu recyceln. Für die negative Graphit-Elektrode ist dies seit etwa 10 Jahren schon industriell umgesetzt, allerdings hat sich dieser Schritt bislang für die sehr wasserempfindlichen positiven Elektrodenmaterialien als relativ schwierig erwiesen.

B. Hürter: Vielfach fällt das Stichwort „Chitosan“. Was ist von diesem Stoff zu erwarten?

Dr. Künzel: Chitosan ist einer dieser wasserlöslichen Binder zur Elektrodenfertigung. Es ist ein in der Natur extrem häufig vorkommendes Biopolymer, abgeleitet vom Chitin, was beispielsweise die Schale von sämtlichen Krustentieren bildet. Tatsächlich ist Chitosan damit das zweithäufigste natürliche Polymer nach Zellulose. Auch auf Zellulose basieren einige Bindermaterialien für Batterieelektroden, so zum Beispiel der wohl bekannteste Vertreter Carboxymethylzellulose (CMC), das wesentlicher Bestandteil des Binders für Graphit-Anoden ist. Mit einfachen chemischen Modifikationen ist es uns gelungen, diese und weitere Biopolymere als Binder zur Kathodenherstellung zu verwenden. Durch Zugabe geeigneter Prozessadditive kann nicht nur die Wasserempfindlichkeit der Kathodenmaterialien herabgesetzt, sondern auch der Binder weiter stabilisiert werden. Anfangs hat dies nur in sehr kleinen Ansätzen im Labormaßstab wirklich gut funktioniert, allerdings ist es uns zuletzt auch gelungen, auf diese Weise deutlich dickere Elektroden herzustellen, sodass wir hoffen, in naher Zukunft „Chitosan“, „CMC“ und andere wasserlösliche Biopolymere in größeren Lithium-Ionen-Zellen zu untersuchen.

B. Hürter: Welche aktuellen Entwicklungen empfinden Sie als besonders vielversprechend für die Zukunft der Batterietechnologie?

Dr. Künzel: In der Welt der Batterien wird beinahe täglich ein neues Material, oder gar ein neues Batteriesystem, das scheinbar alles vorherige übertreffen soll, berichtet. Sicher gibt es einige vielversprechende Entwicklungen auf diesen Gebieten, was zum Beispiel Polymerelektrolyte und modifizierte Li-Metall-Elektroden für Festkörperzellen angeht. In diesem Zusammenhang sind auch sogenannte „Anoden-freie“ Systeme interessant, bei denen das gesamte Lithiumreservoir aus der Kathode stammt. Außerdem sind bemerkenswerte Fortschritte bei Natrium-Ionen-Batterien zu beobachten, welche in Zukunft als besonders kostengünstige und nachhaltige Technologie für stationäre Speicher eine größere Rolle spielen dürften. Als besonders positiv empfinde ich allerdings die generelle Entwicklung in Europa wo Universitäten und Unternehmen, unterstützt durch die Politik, Hand in Hand zusammenarbeiten. Damit gibt es nun nicht nur einen klaren Fahrplan und wichtige Kriterien für die Evaluierung neuer Batteriematerialien, sondern auch entscheidende Fortschritte beim Recycling und ein großartiges Bekenntnis zur europäischen Zellfertigung.

B. Hürter: Was möchten Sie unseren Lesern noch als Denkanstoß mitgeben?

Dr. Künzel: Die rasante Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie hat uns in den vergangenen Jahren weit nach vorne gebracht, was die Leistungsfähigkeit tragbarer Elektronik, Akkulaufzeiten verschiedenster mobiler Anwendungen und auch Elektromobilität angeht. Die neueste Generation vollelektrischer Kleinwagen erzielt Reichweiten um 400 km und größere Autos bereits über 500 km. Vielleicht können wir uns damit an dieser Stelle zunächst einmal arrangieren und anstatt dem immer schneller – höher – weiter in Sachen Energiedichte nun den Fokus auf die Nachhaltigkeit legen, die wir mit der Batterietechnologie versprochen haben.

B. Hürter: Herr Dr. Künzel, vielen Dank für die spannenden Antworten.