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Wissenschaftler forschen an Festkörperbatterien für E-Autos

| Redakteur: Katharina Juschkat

Um die Elektromobilität massentauglich zu machen, braucht es unter anderem bessere Akkutechnologien. Ein Forschungsprojekt will Festkörperbatterien fit für die Elektromobilität machen.

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Im Fraunhofer ISC, Würzburg, steht die vollständige Prozesskette für die Herstellung von Batteriezellen zur Verfügung
Im Fraunhofer ISC, Würzburg, steht die vollständige Prozesskette für die Herstellung von Batteriezellen zur Verfügung
(Bild: K. Selsam, Fraunhofer ISC )

Elektroautos sollen die Zukunft der Mobilität werden – doch dazu muss sich vor allem die Akkutechnologie weiterentwickeln. Die weltweite Produktion hochmoderner Lithium-Ionen-Batteriezellen liegt heute größtenteils in den Händen asiatischer Unternehmen. Beim Umstieg vom Verbrennungsmotor auf Elektroantrieb wäre die europäische Automobilindustrie mit ihren 3,4 Millionen Beschäftigten also auf Antriebsbatterien asiatischer Hersteller angewiesen – falls es nicht gelingt, diese Schlüsseltechnologie nach Europa zu holen.

Deshalb hat die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) und das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC das Forschungsprojekt „IE4B“ gestartet, um produktionstaugliche Antriebsbatterien für E-Autos zu entwickeln. IE4B steht für „Interface Engineering for Safe and Sustainable High-Performance Batteries“.

Festkörperbatterien als Zukunft der E-Mobilität

Marie Claude Bay und Corsin Battaglia arbeiten in einer Glove-Box an Festkörperbatterien der Zukunft.
Marie Claude Bay und Corsin Battaglia arbeiten in einer Glove-Box an Festkörperbatterien der Zukunft.
(Bild: Empa )

Der kommende Technologiesprung hin zu Festkörperbatterien bietet dazu eine Riesenchance. Derartige Batteriezellen kommen ohne brennbare flüssige Elektrolyte aus und bringen damit eine deutlich verbesserte Betriebssicherheit, aber auch Vorteile bei Baugröße und Gewicht, weil eine weniger aufwendige Sicherheitskapselung notwendig ist. Darüber hinaus versprechen Festkörperbatterien durch den Einsatz von metallischem Anodenmaterial (Lithium) anstatt der heute üblichen Graphit-Anoden sowohl eine höhere Energiedichte als auch deutlich kürzere Ladezeiten.

Während die einzelnen Komponenten (Anode, Kathode, Elektrolyt) künftiger Festkörperbatterien im Labor bereits gut untersucht sind, besteht die größte Herausforderung darin, diese zu einem stabilen Gesamtsystem zusammenzuführen. Dabei ist es wichtig, eine lange Lebensdauer bei hoher Leistung über möglichst viele Lade- und Entladezyklen zu erreichen, und so heute übliche Batteriesysteme in ihrer Leistungsfähigkeit zu übertreffen. Das Forschungsprojekt soll die wichtigsten technologischen Barrieren für eine industrielle Fertigung der Festkörperbatteriezellen beseitigen.

Entwicklung einer Festkörperbatterie zum schnellen Laden

Auf Seiten der Empa liegen die Schwerpunkte des Projekts in der Entwicklung von Festkörperelektrolyten, Herstellung und Charakterisierung von dünnen Schichten mit maßgeschneiderten elektronischen Eigenschaften sowie in der Entwicklung nanostrukturierter Anodenmaterialien. Das Fraunhofer ISC arbeitet an Lithium-leitenden Polymeren sowie an der Entwicklung von Schutzschichten aus Sol-Gel-Materialien mit spezifischen Eigenschaften für Batterien. Darüber hinaus entwickelt, fertigt und testet es Prototypen und Kleinserien von Batteriezellen. Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Festkörperbatterie, die einen stabilen Lade- und Entladezyklus bei Raumtemperatur ermöglicht und sich zugleich zügig aufladen lässt.

Am IE4B-Projekt sind auch Industrieunternehmen beteiligt, die das Projekt unter industriellen Aspekten begleiten. Zu den Unternehmen gehören unter anderem der Maschinenbauer Bühler aus der Schweiz und das Technologieunternehmen ABB.

Funktionsfähige Festkörperzelle in Kleinserie produzieren

Das Projekt ist in zwei Phasen unterteilt: Die erste Phase behandelt grundlegende Aspekte und nutzt Batterie-Modellsysteme, die mit Dünnschichtmethoden an der Empa und am ISC hergestellt werden. In dieser ersten Phase sollen die an den Grenzflächen zwischen Kathode, Festkörperelektrolyt und Anode ablaufenden Prozesse genau verstanden und besser kontrolliert werden.

In der zweiten Phase soll dieses Wissen genutzt werden, um mit der verfahrenstechnischen Expertise des Fraunhofer ISC eine funktionsfähige Festkörperzelle herzustellen und in einer Kleinserie zu produzieren. Henning Lorrmann vom Fraunhofer ISC erklärt: „Unser gemeinsames Ziel ist es, dass wir am Ende nicht nur die Grenzflächen besser verstanden haben, sondern dieses Wissen auch in einen Herstellprozess überführen können.“

Der zweistufige Ansatz soll Vorteile bieten: Als Modellsystem in Phase 1 ist der Aufbau der Dünnschichtzellen einfacher zu analysieren. Damit können die am besten zusammenpassenden Elektroden- und Elektrolytkombinationen identifiziert werden. Der komplexere dreidimensionale Aufbau größerer Batteriezellen in Phase 2 wird durch die vorher abgestimmten Materialien wesentlich erleichtert.

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