Festkörperbatterien könnten den Betrieb von Elektroautos revolutionieren. Doch noch steht einer Produktion einiges im Weg. Nun wollen die schweizerische Empa und die Fraunhofer-Gesellschaft diese Schlüsseltechnologie gemeinsam erforschen.
(Bild: ©Empa)
Im Rahmen eines strategischen Kooperationsprogramms der Fraunhofer-Gesellschaft haben die Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt) und das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC ein dreijähriges gemeinsames Forschungsprojekt gestartet. Ziel ist die eine produktionstaugliche nächste Generation von Antriebsbatterien für Elektroautos. Diese sollen dann nur noch aus Feststoffen bestehen und keine brennbaren flüssigen Elektrolyte mehr enthalten. Die weltweite Produktion von Lithium-Ionen-Batteriezellen liegt größtenteils in den Händen asiatischer Unternehmen. Beim Umstieg vom Verbrennungsmotor auf Elektroantrieb wäre die europäische Automobilindustrie asiatischer Hersteller angewiesen. Der nächste Technologiesprung hin zu Festkörperbatterien bietet eine Chance, diese Schlüsseltechnologie für Europa zu erschließen. Feststoffbatterien kommen ohne brennbare flüssige Elektrolyte aus und verbessern dadurch die Betriebssicherheit. Zudem liegen die Vorteile auch in der Baugrösse und im Gewicht, 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.
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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. Wie sich das erreichen lässt, soll im Projekt namens IE4B (Interface Engineering for Safe and Sustainable High-Performance Batteries) in den nächsten drei Jahren erforscht werden. Auf Seiten der Empa liegen die Schwerpunkte im 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.
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. Es 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.
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