Die Welt steht vor einer zentralen Herausforderung: Der steigende Energiebedarf, insbesondere durch Elektromobilität, erfordert leistungsfähigere und nachhaltigere Energiespeicher sowie einen wachsenden Anteil erneuerbarer Energien.
Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) spielen hierbei eine Schlüsselrolle, doch ihre Weiterentwicklung wird durch begrenzte Ressourcen, Umweltbelastungen und technische Einschränkungen bestehender Materialien erschwert. Die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen wie Naturgraphit und Kobalt stellt nicht nur ein Versorgungsrisiko dar, sondern wirft auch ethische und ökologische Fragen auf. Gleichzeitig stoßen herkömmliche kohlenstoffbasierte Anoden an ihre Kapazitätsgrenzen, was neue Materialkonzepte erfordert, um den steigenden Anforderungen an Energiespeicherung gerecht zu werden.
Das vom AIT geleitete Forschungsprojekt MoSiLIB setzt genau hier an und entwickelt eine innovative Kompositanode auf Basis von Silizium und Zinnsulfid (SnS2). Ziel ist es, die Nachteile bisheriger Anodenmaterialien zu umgehen, die Nutzung von kritischen Rohstoffen zu reduzieren und gleichzeitig die Batterieleistung sowie die Zyklenstabilität signifikant zu verbessern. Ein besonderer Fokus liegt auf der Verwendung von hochreinem Silizium, das aus ausgedienten Solarmodulen recycelt wird. Dies trägt zur Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit bei.
Durch die chemische Interaktion von SnS2 mit Silizium entstehen Si/Li2S- und Sn/Li2S-Heterostrukturen, die die Volumenausdehnung der Anodenpartikel abpuffern und die Agglomeration während der Ladezyklen reduzieren. Dadurch wird die Lebensdauer der Batterie erhöht, was die Kompositanode für LIBs der Generation 3b mit LNMO-Kathoden besonders geeignet macht. Zudem setzt das Projekt auf umweltfreundliche, wasserbasierte Verarbeitungsmethoden und skaliert die Technologie auf ein semi-industrielles Niveau, um die Realisierbarkeit und industrielle Anwendbarkeit zu gewährleisten.
Projektziele und Methoden
Das Hauptziel von MoSiLIB ist die Entwicklung einer Si-(Graphit)-SnS2-Verbundanode, die eine reversible Kapazität von 800 mAh/g über mehr als 1000 Zyklen erreicht. Dazu wird eine neuartige Materialverarbeitung genutzt, die auf einer Kombination aus Sprühtrocknung und Hochenergie-Kugelmahlen basiert. Die resultierenden Anodenmaterialien werden in vollständigen Hochvolt-Zellen mit LNMO-Kathoden getestet.
Ergänzend zur experimentellen Forschung setzt das Projekt auf eine mehrskalige Modellierung, um die Leistungsfähigkeit der Anodenmaterialien zu optimieren und Alterungsmechanismen detailliert zu verstehen. Neben der Materialentwicklung liegt ein weiterer Schwerpunkt auf der semi-industriellen Skalierung der Syntheseprozesse sowie der wasserbasierten Elektrodenfertigung, um eine nachhaltige und wirtschaftliche Produktion sicherzustellen. Die neu entwickelten Anodenmaterialien werden ausführlich in Knopf- und Pouchzellen getestet, inklusive mehrlagiger Pouchzellen, um ihre langfristige Leistungsfähigkeit und Skalierbarkeit zu validieren.
Beitrag des AIT Austrian Institute of Technology
Das AIT spielt eine zentrale Rolle in MoSiLIB. Neben der Projektleitung und Koordination konzentriert sich das AIT insbesondere auf elektrochemische Untersuchungen der SnS2-Anoden und LNMO-Kathoden. Ziel ist es, deren Leistungsfähigkeit und Langzeitstabilität unter realen Betriebsbedingungen zu bewerten.
Ein weiterer Schwerpunkt des AIT liegt in der Entwicklung und Optimierung von Verarbeitungsmethoden für Elektroden im Pilotmaßstab. Durch den Einsatz modernster Pilotanlagen wird die Skalierbarkeit der Prozesse untersucht und weiterentwickelt, um eine möglichst nachhaltige und wirtschaftliche Produktion von Silizium-Zinnsulfid-Kompositanoden zu ermöglichen.
„Mit MoSiLIB gehen wir einen entscheidenden Schritt in Richtung nachhaltiger und leistungsfähiger Lithium-Ionen-Batterien. Indem wir innovative Materialien und umweltfreundliche Herstellungsverfahren kombinieren, können wir nicht nur die Effizienz von Batterien verbessern, sondern auch deren ökologische Auswirkungen verringern. Dies ist ein wesentlicher Beitrag für die Energiespeicherung der Zukunft und die weitere Entwicklung der Elektromobilität“, erklärt AIT-Forscher Damian Cupid, der das Projekt leitet.
Projektkonsortium
AIT Austrian Institute of Technology (Koordination)
Universität Wien
AVL List GmbH
Frimeco Produktions GmbH
Université de Liège / Greenmat
Universität Ljubljana
Das Projekt wird von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) finanziert.