Die Funktionsweise einer Festkörperbatterie

Viel Hoffnung steckt in der Feststoffbatterie, soll sie doch die Reichweite von E-Autos im Vergleich zur Lithium-Ionen-Batterie in etwa verdoppeln. Im Bild zu sehen ist ein schematischer Aufbau einer Festkörperbatterie. (Bild: JLU/Elisa Monte)

Mehr Sicherheit, größere Speicherkapazitäten, kürzere Ladezeiten – Festkörperbatterien sollen herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien zukünftig in fast allen Leistungsparametern übertreffen. Grundlagen dafür hat das Batterie-Kompetenzcluster FestBatt unter Beteiligung von Forschenden des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) erarbeitet. In einer zweiten Förderphase werden nun komplette Batteriesysteme und Methoden für die Produktion entwickelt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert mit rund 23 Millionen Euro. VW hat sich schon vor längerem am Festkörper-Start-up Quantum Scape aus San José in Kalifornien beteiligt, um die Reichweite der E-Fahrzeuge durch den Einsatz von Feststoffbatterien zu erhöhen.

Eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie könnte der Elektromobilität schon in wenigen Jahren den entscheidenden Anstoß geben. Davon ist Professor Helmut Ehrenberg, Koordinator der Plattform Charakterisierung im Kompetenzcluster FestBatt vom Institut für Angewandte Materialien (IAM) des KIT überzeugt: „Festkörperbatterien kommen ohne flüssige und brennbare Elektrolyten aus, ihre Chemie ermöglicht höhere Energiedichten sowie kürzere Ladezeiten. Zudem kann auf giftige und seltene Materialien wie Kobalt verzichtet werden.“

Helmut Ehrenberg vom Institut für Angewandte Materialien (IAM) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)
(Bild: Elvira Eberhardt)

Festkörperbatterien kommen ohne flüssige und brennbare Elektrolyten aus, ihre Chemie ermöglicht höhere Energiedichten sowie kürzere Ladezeiten", sagt Helmut Ehrenberg vom Institut für Angewandte Materialien (IAM) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

Feststoffbatterien als Schlüsseltechnologie

Das 2018 gestartete Kompetenzcluster FestBatt entwickelt im Auftrag der Bundesregierung diese Schlüsseltechnologie und startet nun in die zweite Förderphase. Die Arbeiten finden in einem starken internationalen Wettbewerb statt – um Zukunftsmärkte auch für Europa möglichst rasch zu öffnen, hat die Bundesregierung mit FestBatt die Kompetenzen von 17 wissenschaftlichen Einrichtungen gebündelt. Darunter befinden sich Universitäten, Helmholtz-Institute sowie Institute der Fraunhofer-Gesellschaft und der Max-Planck-Gesellschaft, gesamtheitlich werden die Arbeiten durch die Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) koordiniert.

Unterschiede zwischen Feststoffbatterie und Lithium-Ionen-Batterie

Festkörperbatterien sind ein vielversprechendes Konzept zur Weiterentwicklung von aktuell verfügbaren Batterien. Sie sind konventionellen Lithiumionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyten sehr ähnlich und unterscheiden sich von ihnen hauptsächlich dadurch, dass statt des flüssigen Elektrolyten ein fester Elektrolyt oder kurz 'Festelektrolyt' zum Einsatz kommt. Dieser Unterschied trägt maßgeblich dazu bei, dass Festkörperbatterien langfristig höhere Speicherkapazitäten, kürzere Ladezeiten und mehr Sicherheit bieten können, als konventionelle Lithium-Ionen-Batterien.

Festkörperbatterien gelten derzeit als vielversprechende Weiterentwicklung von Lithiumionen-Batterien und kommen gänzlich ohne einen Flüssigelektrolyten aus. Dieser birgt aufgrund seiner Zusammensetzung ein gewisses Risiko, einen Brand im Falle eines Kurzschlusses auszulösen. Ein in Festkörperbatterien stattdessen verwendeter Festelektrolyt hingegen ist nicht brennbar und verringert das Risiko für einen solchen Brand. Er bietet zudem auch weitere Optimierungsmöglichkeiten für Batterien, wie beispielsweise die Verwendung von Lithiummetall als Elektrodenmaterial. Dies erhöht die Energiedichte von Batterien gegenüber den heute gängigen Lithiumionenbatterien. Vor einer erfolgreichen Kommerzialisierung von Festkörperbatterien müssen jedoch noch sowohl eine Vielzahl von grundlegenden Materialfragen beantwortet, als auch produktionstechnologische Herausforderungen gelöst werden.

Quelle: FestBatt

Massenproduktion von Festkörperbatteriezellen

Im Mittelpunkt der neuen Förderphase von FestBatt wird die Entwicklung von Zellkomponenten und ganzen Festkörperbatteriezellen auf der Basis vielversprechender Elektrolyte stehen, außerdem sollen Material- und Prozesstechnologien für deren Produktion entwickelt werden. Bis zu einer Massenproduktion von Festkörperbatterien gilt es allerdings noch eine Reihe von wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen zu lösen.

Die vom KIT koordinierte Plattform Charakterisierung unter Beteiligung der Universität Marburg, dem Forschungszentrum Jülich sowie der JLU wird dabei unter anderem Charakterisierungen von Kontakt- und Grenzflächen mit Röntgen-, Synchrotron und Neutronenstrahlung sowie verschiedener Mikroskopietechniken an komplexen Mehrphasensystemen durchführen. Am KIT wird unter anderem eine Forschungsgruppe die mit besonderen Schutzschichten versehenen Kathodenmaterialien den Partnern innerhalb der Plattform und dann als Referenzmaterial allen anderen an FestBatt beteiligten Verbundprojekten zur vollständigen Charakterisierung zur Verfügung stellen.

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Vorsprung durch systematische Charakterisierung

In der ersten Förderphase von FestBatt haben mehr als 100 Forschende in transdisziplinär aufgestellten thematischen Plattformen daran gearbeitet, geeignete Materialien zu identifizieren und unterschiedliche Festelektrolyte zu synthetisieren. Die Plattform Charakterisierung hat die Materialien dabei systematisch untersucht: Dabei konnten die wichtigsten Einflussgrößen bei der Synthese von Festelektrolyten und kritische Materialveränderungen in Kompositen identifiziert werden.

Darauf baut nun die Weiterentwicklung der Feststoffbatterien in der zweiten Förderphase von FestBatt auf. Erst durch die Entwicklung von standardisierten Messprotokollen gelang eine zuverlässige Bestimmung der Leistungskenndaten und eine Einordnung der sehr unterschiedlichen Zellkonzepte, die weltweit mit großer Intensität entwickelt werden.

So hat beispielsweise auch das Spezialchemie-Unternehmen Evonik gemeinsam mit Innovationlab, einem Unternehmen für gedruckte Elektronik, eine neue Batterietechnologie entwickelt. Mit dieser lassen sich flexible, wieder aufladbare Feststoffbatterien drucken.

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