Festkörperbatterien für die Elektroautos

Die Empa in Dübendorf und das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg (D) startete anfangs Januar ein dreijähriges gemeinsames Forschungsprojekt, um die Basis für eine produktionstaugliche nächste Generation von Antriebsbatterien für Elektroautos zu schaffen.

Im Gegensatz zu den heute gebräuchlichen Lithium-Ionen-Zellen sollen die neuen Batterien nur noch aus Feststoffen bestehen und keinen brennbaren flüssigen Elektrolyt mehr enthalten. In dieser Zusammenarbeit erarbeitet die Empa die chemisch-physikalischen Grundlagen für die neue Batterietechnologie. Das Fraunhofer ISC leistet seinen Beitrag mit ihrem Know-how in der Verfahrensentwicklung und der Batteriezellproduktion und entwickelt erste Prototypen.

Asiaten haben die Nase vorne

Heute liegt die weltweite Produktion hochmoderner Lithium-Ionen-Batteriezellen grösstenteils in den Händen asiatischer Firmen. Dies bedeutet bei einem Umstieg vom Verbrennungsmotor auf Elektroantriebe, dass die europäische Autoindustrie auf Antriebsbatterien aus Asien angewiesen wäre – falls es nicht gelingt, diese Schlüsseltechnologie nach Europa zu holen.

Der Umstieg zu Festkörperbatterien bedeutet einen wichtigen Technologiesprung und bietet deshalb eine Riesenchance. Festkörperbatteriezellen haben keine brennbaren flüssigen Elektrolyte und bringen damit eine deutlich verbesserte Betriebssicherheit, aber auch Vorteile in der Baugrösse und Gewicht mit, da die Sicherheitskapselung weniger aufwendig wird. Darüber hinaus verhoffen sich die Forscher durch den Einsatz von metallischem Anodenmaterial (Lithium, anstatt der heute üblichen Graphit-Anoden) deutlich kürzere Ladezeiten und eine höhere Energiedichte.

Stabiles Gesamtsystem entwickeln

Die einzelnen Komponenten (Anode, Kathode, Elektrolyt) künftiger Festkörperbatterien sind im Labor bereits gut untersucht. Die grösste Herausforderung besteht nun darin, diese zu einem stabilen Gesamtsystem zusammenzuführen. Elementar ist dabei, eine lange Lebensdauer bei hoher Leistung über möglichst viele Lade- und Entladezyklen zu erreichen, und damit aktuelle Batteriesysteme in ihrer Leistungsfähigkeit zu übertreffen. Die Empa und das Fraunhofer ISC wollen mit ihrer Kooperation die wichtigsten technologischen Barrieren für industriell gefertigte Festkörperbatteriezellen beseitigen.

In zwei Etappen zum Ziel

Ziel des Projekts: Die Entwicklung einer Festkörperbatterie, die einen stabilen Lade- und Entladezyklus bei Raumtemperatur ermöglicht und sich zugleich zügig aufladen lässt. Das Projekt besteht aus zwei Phasen: In Phase eins werden grundlegende Aspekte behandelt. Hier nutzt man Batterie-Modellsysteme, die mit Dünnschichtmethoden an der Empa und am ISC hergestellt werden. In dieser ersten Phase wollen die Forscher die Prozesse an den Grenzflächen zwischen Kathode, Festkörperelektrolyt und Anode genau verstehen und besser kontrollieren.

In der zweiten Phase gilt es, dieses Wissen zu nutzen, um mit der verfahrenstechnischen Expertise des Fraunhofer ISC eine funktionsfähige Festkörperzelle herzustellen und in einer Kleinserie zu produzieren. Am Ende will man nicht nur die Grenzflächen besser verstehen, sondern dieses Wissen auch in einen Herstellprozess überführen können. Die beiden Institutionen ergänzen sich diesbezüglich in idealer Weise.

Die Bearbeitung des Projekts in zwei Stufen bietet entscheidende Vorteile: Als Modellsystem in Phase 1 ist der Aufbau der Dünnschichtzellen einfacher zu analysieren. Dies erlaubt es, die am besten zusammenpassenden Elektroden- und Elektrolytkombinationen zu identifizieren. Der komplexere dreidimensionale Aufbau grösserer Batteriezellen in Phase 2 wird durch die vorher abgestimmten Materialien wesentlich erleichtert.   

 

Hintergrundinformationen
Auf Seiten der Empa liegen die Schwerpunkte in dem gerade gestarteten IE4B-Projekt in der Entwicklung von Festkörperelektrolyten, Herstellung und Charakterisierung von dünnen Schichten mit massgeschneiderten elektronischen Eigenschaften sowie in der Entwicklung nanostrukturierter Anodenmaterialien. Das Fraunhofer ISC mit seinem «Fraunhofer Forschungs- und Entwicklungszentrum Elektromobilität Bayern» 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.

Am IE4B-Projekt sind von Anfang an auch Industrieunternehmen aus Deutschland und der Schweiz als Teil einer Lenkungsgruppe beteiligt, die das Projekt unter industriellen Aspekten begleiten: unter anderem aus der chemischen Industrie wie Heraeus (D), dem Maschinenbau wie die Bühler Gruppe (CH) oder Applied Materials (US/D), Zellfertiger wie Varta (D) sowie Technologieunternehmen wie ABB (CH).

 

e-mobile.ch (Web)

Das Lithium-Dilemma (bulletin.ch)

Sicheres Arbeiten an Batterieanlagen (bulletin.ch)


Veranstaltungshinweis

 

Foto: Pixabay

 

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