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Mit zunehmender Sorge um das Klima werden Elektrofahrzeuge immer beliebter. In der Schweiz sind rund 5,5 % der Personenwagen mit einer Batterie ausgestattet, und mehr als die Hälfte aller Neuzulassungen im vierten Quartal 2021 entfielen laut Bundesamt für Energie auf Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Doch was passiert mit den Lithium-Ionen-Batterien dieser Fahrzeuge, wenn sie das Ende ihrer Nutzungsdauer erreicht haben? «Selbst wenn die Batterien nicht mehr für Elektrofahrzeuge geeignet sind, haben sie noch 70-80 % ihrer Kapazität», sagt Mario Paolone, Professor am Distributed Electrical Systems Laboratory (DESL) der EPFL.
Die heute offiziell gestartete CircuBAT-Initiative zielt darauf ab, die Produktion, die Nutzung und das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge zu einem geschlossenen Kreislauf zu machen. Das Projekt hat eine Laufzeit von vier Jahren und wird von einem Konsortium aus sieben Schweizer Forschungsinstituten und 24 Unternehmen durchgeführt. Ziel ist es, die Lebensdauer der Batterien zu verlängern, indem jede Phase ihres Lebenszyklus optimiert wird. Die Forschung wird sich auf drei Bereiche konzentrieren: die Verlängerung der Lebensdauer einer Batterie, die Suche nach einem zweiten Leben sowie die Rückgewinnung und das Recycling von Materialien.
Das DESL wird an dem Projekt im Bereich der Anwendungen für Zweitbatterien beteiligt sein. Eine Möglichkeit, die die Ingenieure des Labors erforschen werden, ist die Verwendung der Batterien als Stromspeicher zur Regulierung der Netzfrequenz und anderer Parameter: Wir werden untersuchen, wie sich recycelte Batterien am besten in Stromnetzen einsetzen lassen», sagt Paolone. «Wir werden den Zustand der Batterie berücksichtigen, wenn sie ihr zweites Leben beginnt, und auch, wie sie im Laufe ihrer Nutzung altert.» Die Ingenieure werden Second-Life-Batterien (die von anderen Projektteilnehmern zur Verfügung gestellt werden) im DESL-Mikronetz unter realen, aber kontrollierten Bedingungen testen.
Altern statt Sterben
Auf der Grundlage der Testergebnisse wird das DESL-Team ein Modell zur Charakterisierung des Alterungsprozesses der Batterien entwickeln. Das Modell könnte dann auf jede Batterie angewandt werden, unabhängig davon, wie sie während ihres ersten Lebens behandelt wurde. Eine Batterie zeichnet sich durch ihre Energiekapazität aus – d. h. wie viel Energie sie bei verschiedenen Lade- und Entladeraten speichern kann – und durch die Leistung, mit der sie geladen und entladen werden kann», erklärt Paolone. «Diese makroskopischen Eigenschaften ändern sich mit dem Alter einer Batterie und werden durch ihren Betriebszyklus beeinflusst. Unser Ziel ist es, genau zu modellieren, wie sich diese Eigenschaften im Laufe der Zeit verändern, so dass sie während der ersten und vor allem der zweiten Lebensdauer der Batterien wirksam gesteuert werden können», so Paolone.
Letztendlich hofft das DESL-Team, eine Methode zur Zertifizierung von Batterien für Second-Life-Anwendungen entwickeln zu können, die die Kapazität der Batterie sowohl zu Beginn ihres zweiten Lebens als auch während der mehrjährigen Nutzung bescheinigt. Je später eine Lithium-Ionen-Batterie recycelt wird, desto kleiner ist ihr Kohlenstoff-Fussabdruck. Und die Verringerung des CO2-Fussabdrucks ist eines der Hauptziele von CircuBAT: «Unser Ziel ist es, die Umweltauswirkungen von Elektrofahrzeugen insgesamt zu minimieren. Dazu gehört auch, die Speicherkapazität der Batterien zu erweitern, um die Energiewende zu unterstützen, und Designs zu entwickeln, die weniger Ressourcen benötigen», sagt Andrea Vezzini, der das CircuBAT-Projektteam an der Berner Fachhochschule leitet.
Über CircuBAT
CircuBAT ist eine gemeinsame Initiative der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa), des Schweizerischen Zentrums für Elektronik und Mikrotechnik (CSEM), der Universität St. Gallen (HSG), der Fachhochschule Ostschweiz (OST), des Schweizerischen Innovationsparks Biel/Bienne (SIPBB) und der EPFL. Die Leitung liegt bei der Berner Fachhochschule (BFH). 24 Unternehmen sind ebenfalls als Partner an der Initiative beteiligt. CircuBAT wurde von Innosuisse, der Schweizer Innovationsagentur, im Rahmen der ersten Ausschreibung der Flagship-Initiative gefördert.