Keramik Keramische Festkörperbatterie: Alternative zur Lithium-Ionen-Batterie?

Von Juliana Pfeiffer

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Schon vor über 40 Jahren starteten die Forschungsarbeiten an emissionsfreien Batterien, die nur aus Kochsalz und geringen Mengen Nickel bestehen. Nun steht die lithium-, kobalt, graphit- und kupferfreie keramische Festkörperbatterie vor der Kommerzialisierung.

Eine Besonderheit der Cerenergy-Batterie ist, dass sie auf der Anodenseite weder Graphit noch Kupfer enthält. Die Anode bildet sich erst während des Ladevorgangs als ein Film aus geschmolzenem Natrium zwischen der Stahlelektrode und dem äußeren Rand des keramischen Elektrolyten.
Eine Besonderheit der Cerenergy-Batterie ist, dass sie auf der Anodenseite weder Graphit noch Kupfer enthält. Die Anode bildet sich erst während des Ladevorgangs als ein Film aus geschmolzenem Natrium zwischen der Stahlelektrode und dem äußeren Rand des keramischen Elektrolyten.
(Bild: Fraunhofer IKTS)

Stationäre Energiespeicher gehören zu den vielversprechendsten Wachstumsmärkten in Deutschland, Europa und weltweit. Für die kommenden Jahrzehnte wird ein Wachstum von 28 Prozent CAGR für netzgebundene, stationäre Energiespeichersysteme prognostiziert. So wird erwartet, dass der weltweite Markt für Batteriespeichersysteme von 4,4 Milliarden US-Dollar im Jahr 2022 auf 15,1 Milliarden US-Dollar im Jahr 2027 ansteigen wird. Interessant sind hierfür besonders Speicherlösungen jenseits von Lithium-Ionen- und Blei-Säure-Technologien, weil sie hohe Sicherheit bei niedrigen Anschaffungs- und Betriebskosten ermöglichen. Die Natrium-Technologie steht vor einem Comeback im neuen Gewand, gerüstet für die Energiespeicheraufgaben der Zukunft.

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Schon in den 80er-Jahren begann der Siegeszug der damals „ZEBRA – Zero Emission Battery Research Activities“ genannten Batterie, die bei ca. 300 °C betrieben wird und im Wesentlichen auf den Materialien Kochsalz (NaCl2) und Nickel (Ni) basiert. Da die damaligen Forschungsarbeiten jedoch auf die aufkommenden Lithium-Ionen-Batterien umschwenkten, erfuhr der Vormarsch der ZEBRA-Batterie gegen Ende der 90er Jahre einen jähen Abbruch. Dennoch verschwanden diese Batterien nie ganz aus der Produktion. Die derzeit drei größten weltweit betriebenen Batterien im MWh-Bereich sind ebenfalls Hochtemperaturbatterien – sogenannte Natrium-Schwefel-Batterien. Sie basieren auf derselben Technologie und dem gleichen Festkörperelektrolyt, dem Natriumbetaaluminat.

Keramische Hochtemperaturbatterie Cerenergy

Am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS richtet sich die Entwicklung auf das Re-Engineering dieser Batterie – mit besonderem Fokus auf Herstellung, Layout und Größe. „In den letzten zehn Jahren haben wir mit der keramischen Hochtemperaturbatterie Cerenergy eine leistungsstarke Technologieplattform für die preiswerte stationäre Energiespeicherung entwickelt. Unsere Cerenergy-Batterien wurden bereits erfolgreich in stationären Batteriemodulen getestet“, sagt Prof. Alexander Michaelis, Institutsleiter des Fraunhofer IKTS. Hierfür hat das Institut bereits zweistellige Millionen-Euro-Beträge in Forschung und Entwicklung investiert und betreibt eine 25 Millionen Euro teure Pilotanlage in Hermsdorf, Deutschland.

Technologie unabhängig von kritischen Lieferengpässen

Die Batterietechnologie verwendet Kochsalz und geringe Mengen Nickel. Sie ist lithium-, kobalt-, graphit- und kupferfrei und damit unabhängig von kritischen Lieferengpässen und Preissteigerungen der Rohstoffe. Die Batterien neigen nicht, wie Lithium-Ionen-Batterien, zum thermischen Durchbrennen. Sie enthalten keine brennbaren flüssigen Elektrolyten oder Kunststoffseparatoren. Das Elektrolyt ist ein festes, unbrennbares
Keramikrohr, durch das Natriumionen übertragen werden können. Die Batterie enthält darüber hinaus weder Oxide noch erzeugt sie Sauerstoff an der Kathode, wie es bei einer Lithium-Ionen-Batterie während des thermischen Durchbrennens der Fall ist.

So funktioniert die Batterie

Die Batterie besteht aus einem Keramikrohr (leitend für Natriumionen, aber isolierend für Elektronen) mit einem positiven Pol in der Mitte. Das feste keramische Rohr (Festkörpertechnologie) erfüllt die gleiche Funktion wie ein flüssiger Elektrolyt in einer Lithium-Ionen-Batterie, indem es den Transfer von Natrium-Ionen durch das Rohr ermöglicht. Das IKTS hat die Festkörpertechnologie entwickelt, um diese großen festen Keramikröhren mit Mikrostrukturen herzustellen, die einen schnellen Natriumionentransfer ermöglichen. Durch Pressen lassen sich Elektrolytrohre mit einer Länge von bis zu 300 mm realisieren. Die physikalischen und elektrochemischen Kennwerte der Bauteile liegen im internationalen Spitzenfeld. Es können ionische Leitfähigkeiten bis 0,241 S/cm (300 °C) und hohe Dichten nachgewiesen werden.

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Die Keramikröhre ist mit einem Kathodengranulat gefüllt, das aus Kochsalz und Nickel besteht. Um den Kontakt zwischen dem festen Kathodengranulat und dem keramischen Elektrolytrohr sicherzustellen, wird die positive Elektrode mit geschmolzenem Chloraluminat (NaAlCl4) geflutet. Die Keramikröhre ist in einem Edelstahlbehälter untergebracht, der als Minuspol dient. Die Plus- und Minuspole befinden sich am oberen Ende der Zelle und dienen dem Elektronentransfer und der Verbindung mit anderen Zellen. Jede Zelle hat eine Betriebsspannung von 2,58 V und eine Sammlung von 40 Zellen ist in einem feuerfest isolierten Modulgehäuse untergebracht.

40 Prozent niedrigere Herstellungskosten

Als nächster Schritt folgt die Kommerzialisierung:
Zusammen mit der Altech Group hat das Fraunhofer IKTS im September 2022 das Joint Venture Altech Batteries GmbH zur Kommerzialisierung der keramischen Festkörperbatterie Cerenergy gegründet. In den kommenden Jahren soll am Standort Schwarze Pumpe in Sachsen eine Cerenergy-Batteriefabrik aufgebaut werden. „Zusammen mit der Altech Group treten wir nun in die finale Phase der industriellen Produktentwicklung für die globale Vermarktung ein“, so Michaelis weiter.

Die von der Altech-Group geplante Produktionsanlage wird 10.000 Batteriemodule pro Jahr mit einer Kapazität von je 10 KWh produzieren. Es wird erwartet, dass diese Cerernergy-Module zu einem Preis von 7.000 bis
9.000 Euro pro Modul bzw. 700 bis 900 Euro pro KWh verkauft werden. IKTS schätzt, dass die Herstellungskosten der Cerenergy-Batterien 40 Prozent niedriger sein werden als die von vergleichbaren Lithium-Ionen-Batterien.

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