Erweiterte Sensoren in Batterien könnten Elektrofahrzeugen helfen, länger und mit weniger Umweltschäden zu fahren. © StudioFI, Shutterstock.com

Batterien sind eine der größten Hürden auf dem Weg zur Massenadoption von Elektrofahrzeugen (EVs). Aber was wäre, wenn sie nicht nur länger halten, sondern sich auch selbst reparieren könnten? Das ist die Vision, die Forscher wie Johannes Ziegler und Liu Sufu antreibt, die daran arbeiten, dies zu verwirklichen.

Die EV-Verkäufe in Europa steigen sprunghaft an, im Februar um 20 % im Vergleich zum gleichen Monat im Jahr 2024. EVs sind unerlässlich, um unseren Verkehr zu elektrifizieren und die planetenzerstörenden Kohlenstoffemissionen zu reduzieren, aber ihre Reise ist nicht ohne Herausforderungen.

Die meisten EVs verlassen sich auf Lithium-Ionen-Batterien, ähnlich denen in unseren Handys, aber viel größer und komplexer. Eine EV-Batterie enthält Dutzende von Kilogramm wertvoller Metalle – Lithium, Nickel und Kupfer – und muss über ein Jahrzehnt halten, was der erwarteten Lebensdauer eines EVs entspricht.

Um diese Herausforderung zu meistern, hat sich ein Team von Forschern im Rahmen einer von der EU finanzierten Initiative namens PHOENIX zusammengefunden, mit dem Ziel, Batterien zu entwickeln, die sich selbst heilen können. Ihr Ziel ist es, die Batterielebensdauer zu verlängern, sie sicherer zu machen und den Bedarf an neuen Batteriemetallen zu reduzieren.

„Die Idee ist, die Batterielebensdauer zu erhöhen und ihren CO2-Fußabdruck zu verringern, da sich dieselbe Batterie selbst reparieren kann, sodass insgesamt weniger Ressourcen benötigt werden“, sagte Ziegler, ein Materialwissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Deutschland.

Im Jahr 2023 identifizierte die EU 34 Materialien als kritisch, darunter Batteriemetalle wie Lithium, Nickel, Kupfer und Kobalt.

Das PHOENIX-Projekt ist nach dem mythischen Vogel benannt, der aus seiner eigenen Asche aufersteht – ein passendes Symbol für die Wiedergeburt und Erneuerung, die die Forscher in der Batterietechnologie erreichen wollen.

Und es geht um viel. Die EU-Gesetzgebung schreibt vor, dass alle ab 2035 verkauften Neuwagen und -transporter emissionsfrei sein müssen. Ziel ist es, die Treibhausgasemissionen aus dem Verkehrssektor deutlich zu senken.

Dafür werden Elektroautos bessere Batterien benötigen.

Sinn und Auslöser

Jeder, der ein Smartphone besitzt, kennt die Frustration mit Batterien: Nach ein paar Jahren sinkt ihre Lebensdauer rapide. Dasselbe Problem plagt EVs, nur in größerem Maßstab.

Dies geschieht, weil sich Teile der Batterie abbauen, wenn sie im Laufe der Zeit wiederholt geladen und entladen wird.

Wissenschaftler aus Belgien, Deutschland, Italien, Spanien und der Schweiz arbeiten zusammen, um Sensoren zu entwickeln, die Veränderungen innerhalb einer Lithium-Ionen-Batterie im Laufe der Alterung erkennen und die Selbstheilung der Batterie bei Bedarf auslösen.

Ziel ist es, die Lebensdauer der Batterien und damit die Lebensdauer der EVs zu verdoppeln.

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Die Idee ist, die Batterielebensdauer zu erhöhen und ihren CO2-Fußabdruck zu verringern, da sich dieselbe Batterie selbst reparieren kann, sodass insgesamt weniger Ressourcen benötigt werden.

Heutzutage überwachen Batteriemanagementsysteme (BMS) – das Gehirn einer Batterie – die Spannung und Temperatur einer Batterie, um sicherzustellen, dass sie nicht überhitzt und Sicherheitsprobleme verursacht.

„Derzeit ist die Messung im Allgemeinen auf Temperatur, Spannung und Strom begrenzt. Zusätzlich zur Schätzung der verbleibenden Energieverfügbarkeit gewährleistet es die Sicherheit“, sagte Yves Stauffer, ein Ingenieur am Swiss Centre for Electronics and Microtechnology (CSEM), einem Innovationszentrum, das disruptive Technologien entwickelt. Stauffer leitet die BMS-Forschung.

Das PHOENIX-Team will noch weiter gehen und fortschrittliche Sensoren und Auslöser einführen. Einige von ihnen werden erkennen, wann sich die Batterie ausdehnt, andere erzeugen eine Wärmekarte, und einige werden nach gefährlichen Gasen wie Wasserstoff oder Kohlenmonoxid suchen.

All diese Sensoren werden ein Frühwarnsystem für den Batteriezustand liefern.

Wenn das Gehirn der Batterie entscheidet, dass eine Reparatur erforderlich ist, wird die Heilung aktiviert. Dies könnte beispielsweise bedeuten, die Batterie wieder in Form zu pressen oder gezielte Wärme anzuwenden, um Selbstheilungsmechanismen im Inneren auszulösen.

„Die Idee ist, dass sich unter Wärmebehandlung einige einzigartige chemische Bindungen wieder erholen“, sagte Sufu, ein Batteriechemiker am CSEM, der auch an PHOENIX arbeitet.

Ein weiterer Selbstheilungsansatz verwendet Magnetfelder, um Dendriten aufzubrechen – verzweigte metallische Strukturen, die sich während des Ladens auf Batterieelektroden bilden und Kurzschlüsse und Ausfälle verursachen können.

Die Größe ist wichtig

PHOENIX-Forscher wollen auch die Reichweite von EVs erhöhen und die Größe der Batterien reduzieren.

„Wir versuchen, Batterien der nächsten Generation mit höherer Energiedichte zu entwickeln“, sagte Sufu. Das bedeutet, dass ein EV eine kleinere Batterie benötigt, wodurch es leichter wird und mit einer einzigen Ladung weiter fahren kann.

Eine Strategie ist es, Graphit, das Material, das in Bleistiften verwendet wird, durch Silizium zu ersetzen, das sich irgendwo zwischen Metallen und Nichtmetallen befindet.

Dies wird in den heutigen kommerziellen Batterien nicht weit verbreitet, was zum Teil daran liegt, dass Silizium weniger stabil ist und sein Volumen während des Ladens und Entladens um bis zu 300 % ansteigen kann, sagte Sufu. Mit Silizium im Inneren müsste eine Batterie in der Lage sein, diese drastischen Veränderungen zu überstehen oder sich selbst zu reparieren.

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Wir versuchen, Batterien der nächsten Generation mit höherer Energiedichte zu entwickeln.

Im März 2025 wurde eine neue Charge von Sensorprototypen und Auslösern entwickelt und an Partner zum Testen an Batteriezellen – flexiblen, leichten und flachen Lithium-Ionen-Batterien – versandt.

Obwohl das Beladen einer Batterie mit Sensoren großartig ist, um Informationen über ihren Gesundheitszustand zu liefern, erhöht es auch die Kosten. Das Team konzentriert sich daher darauf, zu ermitteln, welche Technologien genügend Vorteile bieten, um die Kosten für EVs zu rechtfertigen.

Welcher Ansatz sich auch durchsetzt, er wird es zukünftigen EVs ermöglichen, länger zu halten und weiter zu fahren, mit sichereren, kompakteren und ressourcenschonenderen Batterien.

Die Verlängerung der Batterielebensdauer wird auch den CO2-Fußabdruck von EVs reduzieren und sowohl den Verbrauchern als auch der Umwelt einen Vorteil verschaffen.

„Es ist aufregend, die Lebensdauer von Batterien zu verlängern und an EVs zu arbeiten“, sagte Ziegler. „Es geht darum, die Teile zusammenzubringen.“