Batterijen zijn de taktgevers van de elektromobiliteit

De batterij is de sleutelcomponent bij de productie van een elektrische auto. Ze is als energieleverancier het onderdeel dat zowel de actieradius als de kosten van een elektrische auto bepaalt. Huidige elektrische auto's zijn gebaseerd op lithium-ion-technologie – volgens experts ook op korte termijn nog niet vervangbaar. 60 tot 80 procent van de waardecreatie aan het batterijpakket wordt bepaald door de batterijcellen. De levensduur, de veiligheid, de kosten en de prestaties van lithium-ion-batterijen staan daarom centraal in het onderzoek rond elektromobiliteit.

De TU Berlijn is partner van het landelijke competentienetwerk Lithium-Ion-Batterijen (KLIB, http://www.klib-org.de/home/), en verschillende vakgebieden houden zich intensief bezig met diverse aspecten van de batterij. Zo maakt het vakgebied Handling- en Montage-techniek deel uit van het grote door het BMBF geförderde competentiecluster voor de productie van batterijcellen „ProZell“ (https://www.prozell-cluster.de/). De openingsbijeenkomst van de tweede financieringsfase van deze onderzoeksnetwerk vond plaats op 13./14. november 2019 aan de TU Berlijn. In het cluster zijn landelijk 26 onderzoeksinstellingen en universiteiten betrokken op 14 locaties. Meer dan 100 wetenschappers werken in twaalf gefinancierde projecten aan de productie van batterijcellen. Het doel van het cluster binnen het BMBF-overkoepelende concept „Forschungsfabrik Batterie“ is het verbeteren van de processtappen in de productie van batterijcellen met betrekking tot celprestaties, kosten en milieueffecten, evenals digitalisering en recycling voor een slimme sluiting van de waardeketen en materiaalkringlopen.

Snellere productieprocessen

„In het TU Berlijn-project ‘HoLiB – Hochdurchsatzverfahren in der Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien’ ontwikkelen we een nieuwe hoge-snelheidstechniek. Daarbij worden een groot aantal gekoppelde invloeden onderzocht om werkingsverbanden te begrijpen en procesgrenzen te optimaliseren“, legt de leidinggevende van het vakgebied, Prof. Dr. Franz Dietrich, uit en benadrukt het potentieel van snellere en goedkopere productieprocessen voor de economische en maatschappelijke doorbraak van krachtige batterijen op de wereldmarkt.

Levensduur van batterijen op de testbank

Prof. Dr. Julia Kowal houdt zich bezig met de elektrische, thermische en levensduurmodellering van batterijen, evenals met hun karakterisering met betrekking tot prestaties, thermisch gedrag en veroudering. „In de toekomst zijn steeds lichtere en kleinere batterijen nodig die meer capaciteit, een langere levensduur en een lagere prijs hebben. De karakterisering van een batterijcel, wat betreft spannings-, stroom- en temperatuurlimieten, evenals de systeemontwerp, modelvorming, simulatie, celdiagnose en celbewaking, zijn daarbij van cruciaal belang om de actieradius en levensduur van elektrische voertuigen te verhogen“, aldus Julia Kowal, hoofd van het vakgebied Elektrische Energieopslagtechniek aan de TU Berlijn. In het samenwerkingsproject SiCWell met Daimler AG, Solfas GmbH en twee andere vakgebieden van de TU Berlijn onderzoekt de wetenschapper bijvoorbeeld de invloed van hoogfrequente schakelingen, zoals die worden gegenereerd door zogenaamde omvormers, op de levensduur van batterijen. „Omvormers zijn schakelingen, bestaande uit halfgeleiderschakelaars, die met een hoge frequentie worden geschakeld. Met de overstap op siliciumcarbide (SiC)-halfgeleiders worden de schakelingen compacter en efficiënter, maar bij een hogere schakelfrequentie. De invloed op de levensduur van batterijen is nog niet duidelijk, en dat onderzoeken wij in het project.“

Defecten in elektroden opsporen

Het vakgebied Keramische Materialen onder leiding van Prof. Dr. Aleksander Gurlo houdt zich bezig met technieken en processen voor de synthese van elektroden. Daartoe worden speciale methoden zoals tape casting en freeze casting toegepast. De specialismen van zijn vakgebied liggen in de voorbereiding en droging van batterijmaterialen en het vacuüm drogen van elektrode-materialen. „In een huidig onderzoeksproject werken wij aan de ontwikkeling van een speciale analysemethode om defecten in de elektroden van lithium-ionbatterijen te karakteriseren“, aldus Aleksander Gurlo. In andere projecten onderzoekt zijn team geheel nieuwe elektrodematerialen. „Zo wordt bijvoorbeeld nanostructuurg wolframdisulfide beschouwd als een veelbelovend elektrode-materiaal voor de tijd na de lithium-ionbatterijen. Het toont, vergeleken met andere conventionele materialen, een hoge elektrochemische stabiliteit“, aldus de materiaalwetenschapper.

Platform biedt overzicht van grondstoffen

Prof. Dr. Vera Rotter, hoogleraar Circulaire Economie en Recyclingtechnologie aan de TU Berlijn, benadert het onderwerp elektromobiliteit van de andere kant: onder haar medewerking is bijvoorbeeld het Urban Mine-platform ontstaan in het kader van het Horizon 2020-project ProSUM: „Op deze interactieve, openbaar toegankelijke online platform zijn alle belangrijke grondstoffen geïnventariseerd die binnen Europa bijvoorbeeld in auto-batterijen, mobiele telefoons of andere producten worden gebruikt. Het gaat in totaal om ongeveer 450 miljoen ton materiaal. Dit overzicht stelt fabrikanten, recyclingbedrijven, vakbonden of politici in staat te zien welke grondstoffen momenteel of in de toekomst binnen Europa voorkomen of te verwachten zijn. Zo kunnen recyclingbedrijven beter plannen voor toekomstige afvalstromen en weten ondernemers waar binnen Europa bepaalde gerecyclede grondstoffen kunnen worden aangeschaft, om milieubelastende primaire productie te vermijden“, aldus de hoogleraar.

Meer informatie graag bij:

Prof. Dr.-Ing. Franz Dietrich
TU Berlijn
Vakgebied Handling- en Montage-techniek
Tel.: 030/314-22014
E-mail: f.dietrich@tu-berlin.de

Prof. Dr.-Ing. Julia Kowal
TU Berlijn
Vakgebied Elektrische Energieopslagtechniek
Tel.: 030/314-25394
E-mail: julia.kowal@tu-berlin.de

Prof. Dr. Aleksander Gurlo
TU Berlijn
Vakgebied: Keramische Materialen
Tel.: 030/314-23425
E-mail: gurlo@ceramics.tu-berlin.de

Prof. Dr.-Ing. Vera Rotter
TU Berlijn
Vakgebied: Circulaire Economie en Recyclingtechnologie
Tel.: 030/314-28512
E-mail: vera.rotter@tu-berlin.de