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Batterien aus dem 3D-Drucker12.05.2021

Text: Horst E. Wegener
Mobile elektronische Geräte, elektrische Fahrzeuge oder Robotersysteme benötigen bekanntlich effiziente Stromspeicher. Allerdings ist  die Leistung der derzeit meist verwendeten Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer Bauweise begrenzt. Im neuen, mit rund 2,25 Millionen Euro geförderten Projekt überlegt die Arbeitsgruppe des russischstämmigen Wahl-Oldenburgers Momotenko, wie sich Batterien mit einer 3D-Drucktechnik auf der Nanoskala herstellen lassen. Mit den wissenschaftlichen Grundlagen für das Oldenburger Verfahren hat der Absolvent der Lomonosov Universität in Moskau während seiner Tätigkeit an der ETH Zürich begonnen, um sie nach seinem Wechsel von der Schweiz nach Deutschland dank der großzügigen Starting Grant-Finanzspritze am neuen Wirkungsort vertiefen zu können. Das Verfahren, mit dem der frischgebackene Doktor künftig ultrakleine Strukturen für Batterien herstellen möchte, fußt laut einer Pressemitteilung des Oldenburger Instituts für Chemie auf drei Schritten: Zunächst entwickelt die Arbeitsgruppe eine entsprechende 3D-Druckplattform. „Herzstück sind hier die von mir entwickelten Druckdüsen mit Öffnungen von nur wenigen Nanometern“, so Momotenko. In einem nächsten Schritt passt sein Team die Druckplattform für Anwendungen im Nanobereich an. Schließlich wandeln sie mit entsprechenden elektrochemischen Verfahren die gedruckten Metallteile in aktives Elektrodenmaterial um.
„Mit dieser Technik können wir Batterien herstellen, deren Oberflächen tausendfach größer als bei herkömmlichen Modellen ist“, sagt Mometenko. Die neue Architektur soll es ermöglichen, dass die Batterien eine deutlich höhere Leistung als bisher aufweisen und sich tausendfach schneller, innerhalb weniger Sekunden, aufladen lassen.
II.
Eine Schwachstelle bei den Oldenburger Batterie-Versionen der Zukunft könnte im derzeit noch verwendeten Prinzip zum Tragen kommen, auf herkömmliches Lithium als Material zu bauen. Zum Verständnis, wie eine Batterie funktioniert: Man braucht zwei Elektroden und dazwischen ein Elektrolyth, um einen Ladungstransport zu ermöglichen. Bisher werden dafür überwiegend Systeme genutzt, die auf Lithium-Ionen basieren. Mal ganz abgesehen davon, dass der Einsatz von normalen Lithium-Batterien nicht ganz unproblematisch ist, weil sie durch Überhitzung in Brand geraten können, bleibt Lithium ein schwer zu beschaffender Rohstoff.
Die Internationale Energieagentur prognostiziert, dass im Jahr 2030 in Europa rund sieben Millionen Elektrofahrzeuge und fast ebenso viele Hybridfahrzeuge, etwa sechs Millionen, mit kleineren Batterien verkauft werden könnten. Bei der im Oktober 2017 gegründeten Europäische Batterie Allianz geht man davon aus, dass die EU bis 2025 einen branchenübergreifenden Batteriemarkt von bis zu 250 Milliarden Euro pro Jahr erobern könnte, der von mindestens 10 bis 20 Giga-Fabriken bedient werden müsste, um den Bedarf EU-weit zu decken.
In Karlsruhe ist es einer Firma namens Vulcan Energie Ressourcen nun sogar gelungen, klimafreundliches Zero Carbon Lithium zu produzieren, das bei der Herstellung von Elektrofahrzeug-Batterien eingesetzt werden kann. In einem nächsten Schritt haben die Karlsruher jetzt gemeinsam mit der für etliche der großen Automobilunternehmen im Lande tätigen IT-Schmiede Circulor ein Projekt in der Mache, bei dem man die Rückverfolgung des Rohstoffs offen legt. Mittels Blockchain könnte somit die erste grüne und klimaneutrale Lithium-Lieferkette in Europa gewährleistet werden, was mit Blick auf Umweltschutzstandards ein wichtiges Instrument darstellen mag.
Gleichwohl werden Lithium-Ionen-Batterien bislang überwiegend außerhalb Europas produziert. Japanische, südkoreanische und chinesische Unternehmen dominieren dabei den Weltmarkt. Nachvollziehbar, dass das Ziel, signifikante Anteile an der globalen Batterieherstellung zu erreichen, enorme Anstrengungen der europäischen Industrie erfordert. Die Erschließung von Lagerstätten innerhalb der EU – insbesondere für Lithium, Kobalt, Nickel und Graphit – liegt definitiv im Interesse Europas, zumal einem gerade in der Corona-Pandemie die Abhängigkeit von diesen Rohstoffen durch Unterbrechungen in den Lieferketten als Schwachstelle gnadenlos klar vor Augen geführt wurde. Hinzu kommen immer mal wieder politische Spannungen mit Ländern, von denen die Rohstoffe geliefert werden, oder in denen man sie à la Lithium und China weiterverarbeitet. Dass China keinerlei Probleme damit hat, seine Dominanz auf dem Rohstoffmarkt und bei der –verarbeitung als politisches Druckmittel einzusetzen, sollte zusätzlich sämtliche Alarmglocken hierzulande schrillen lassen. Unabhängigkeit bei kritischen Rohstoffen bleibt in der EU schwierig, nichtsdestotrotz ein wünschenswertes Ziel. Klar ist jedenfalls, dass die steigende Nachfrage nach Batterien weltweit die Nachfragen nach den dafür benötigten Rohstoffen Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan, Graphit und Kupfer steigert. Importieren, Allianzen schmieden, selbst fördern oder nach Alternativen suchen – sich allzu abhängig machen, scheint definitiv die schlechteste Lösung zu sein.

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