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Elektromobilität Festkörperbatterien: Die Chance der europäischen Autoindustrie?

| Autor/ Redakteur: Benjamin Kirchbeck / Maximiliane Reichhardt

Beim Umstieg hin zum E-Antrieb wäre die europäische Autoindustrie auf Antriebsbatterien asiatischer Hersteller angewiesen – falls es nicht gelingt, diese Technik nach Europa zu holen. Der Technologiesprung hin zu Festkörperbatterien bietet dazu eine Riesenchance.

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Im Fraunhofer ISC steht die vollständige Prozesskette für die Herstellung von Batteriezellen zur Verfügung, derzeit wird der Bereich für die Assemblierung unter Schutzgasatmosphäre weiter ausgebaut (im Bild hinten links).
Im Fraunhofer ISC steht die vollständige Prozesskette für die Herstellung von Batteriezellen zur Verfügung, derzeit wird der Bereich für die Assemblierung unter Schutzgasatmosphäre weiter ausgebaut (im Bild hinten links).
(Bild: Fraunhofer ISC)

Im Rahmen eines internationalen Kooperationsprogramms der Fraunhofer-Gesellschaft haben die Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt) und das Fraunhofer-Institut ISC Anfang Januar ein dreijähriges gemeinsames Forschungsprojekt gestartet. So wollen sie die Basis für eine produktionstaugliche nächste Generation von Antriebsbatterien für Elektroautos schaffen. Die Zellen von Festkörperbatterien sollen dabei ohne brennbare flüssige Elektrolyte auskommen und damit eine verbesserte Betriebssicherheit bringen. Aber auch bei Baugröße und Gewicht zeigen sich Vorteile, da 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.

Die größte Herausforderung: Ein stabiles Gesamtsystem

Während die einzelnen Komponenten (Anode, Kathode, Elektrolyt) künftiger Festkörperbatterien im Labor bereits gut untersucht sind, bestehe die größte Herausforderung darin, diese zu einem stabilen Gesamtsystem zusammenzuführen. Dabei sei 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. Die Kooperation zwischen der Empa und dem Fraunhofer ISC hat das Ziel, die wichtigsten technischen Barrieren für eine industrielle Fertigung der Festkörperbatteriezellen zu beseitigen.

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Das Projekt namens IE4B (Interface Engineering for Safe and Sustainable High-Performance Batteries) startete am 1. Januar 2019 und läuft für drei Jahre im Rahmen der Fraunhofer-Förderlinie ICON (International Cooperation and Networking). Mit ICON möchte die Fraunhofer-Gesellschaft die strategische Zusammenarbeit ihrer Institute mit ausgewählten internationalen Exzellenzzentren in verschiedenen Bereichen ausbauen. So wurden bislang etwa Projekte mit der University of Cambridge und der Johns Hopkins University initiiert.

Aufgabenverteilung für das IE4B-Projekt

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 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).

In zwei Etappen zum Ziel Feststoffbatterie

Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Festkörperbatterie, die einen stabilen Lade- und Entladezyklus bei Raumtemperatur ermöglicht und sich zugleich zügig aufladen lässt. 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. „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“, erklärt Henning Lorrmann, Leiter des Fraunhofer Forschungs- und Entwicklungszentrum Elektromobilität Bayern (FZEB) am Fraunhofer ISC.

Vorteile des Ansatzes

Der zweistufige Ansatz bietet entscheidende Vorteile: 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.

Pierangelo Gröning, Mitglied der Direktion der Empa, ist einer der Koordinatoren des Projekts. Er betont die strategische Bedeutung: „Die Lithium-Ionen Feststoffbatterie ist in ihrem Aufbau sehr komplex und seitens der Materialwissenschaft eine große Herausforderung. Durch die Kooperation verbinden wir herausragende Kompetenzen aus Materialwissenschaft und Verfahrenstechnik – und genau das ist erforderlich um die Entwicklung der Feststoffbatterie erfolgreich voranzutreiben.“

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