Forscher entwickeln Produktionsverfahren für Festkörper-Batteriezellen

Das Verbundprojekt „Solid“ will bis Herbst 2020 ein einfaches und kostengünstiges Produktionsverfahren für sichere und leistungsfähige Lithium-basierte Festkörperbatterien entwickeln. Bislang seien vorhandene Produktionsverfahren kostspielig, nicht massentauglich oder aber noch nicht stabil genug für hohe Energiedichten, schreibt dazu das Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC am Montag. Lithium-basierte Festkörperbatterien auf Sol-Gel-Basis gelten dem Fraunhofer ISC zufolge als aussichtsreiches Zukunftskonzept für sichere, leistungsfähige und kostengünstige Batterien mit hoher Lebensdauer und Ladegeschwindigkeit. Neben dem Forschungsinstitut mit Sitz in Würzburg sind demnach noch fünf weitere Institutionen an dem Forschungsverbund beteiligt, darunter das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg und der Batteriespeicherhersteller Varta Microbattery.

Bei dem neuen Produktionsverfahren wollen die Forscher die Batteriezellen aus Sol-Gel-Schichten aufbauen. Innerhalb eines Jahres solle eine erste funktionsfähige Einfach-Zelle entstehen, so der Plan. Eine besondere Herausforderung sind die benötigten Schichtdicken im Sol-Gel-Verfahren, die nicht nur komplexe Anforderungen an Synthese, Herstellung und Aushärtungsverfahren stellen, sondern auch im Widerspruch zu einer guten Ionenleitfähigkeit stehen, wie es beim Fraunhofer ISC weiter heißt. Mithilfe einer „cleveren“ Beschichtungsmethode wollen die Forscher hohe Dicken bei gleichzeitig hoher Leistungsfähigkeit demonstrieren. Das Fraunhofer Forschungs- und Entwicklungs-Zentrum Elektromobilität Bayern FZEB am Fraunhofer ISC stelle dabei die Stromableiter-, Elektrolyt- und Kathodenschichten im Sol-Gel-Verfahren her. „Besondere Herausforderungen sind dabei eine formschlüssige Anbindung der Komponenten aneinander für eine hohe Leistungsfähigkeit oder die Entwicklung einer stabilen Grenzfläche zwischen Lithium-Metall und dem Festelektrolyt“, sagt der Fraunhofer ISC-Forscher Henning Lorrmann auf Nachfrage von pv magazine.

Die auf Sol-Gel-Basis entwickelten Festkörperbatterien sollen bei gleichem Gewicht und Volumen künftig deutlich mehr Energie als konventionelle Lithium-Ionen-Batterie speichern können. Diese werden derzeit überwiegend bei Elektroautos und Elektrofahrrädern eingesetzt und bringen zwar schon eine vergleichsweise hohe Energie- und Leistungsdichte mit. Da die Spannungsgrenzen bei Lithium-Ionen-Batterien jedoch weitestgehend ausgereizt seien, wären der erreichbaren Energiedichte jedoch Grenzen gesetzt, heißt es. Zudem müsse die Ladegeschwindigkeit durch die Steuerelektronik eingeschränkt werden.

„Bei den Festkörperzellen sind perspektivisch volumetrische Ladungsdichten jenseits der 750 Wattstunden pro Liter und gravimetrische Energiedichten über 450 Wattstunden pro Kilogramm möglich“, sagt Henning Lorrmann. Zum Vergleich: Bei konventionellen Lithium-Ionen-Batterien liegt die Ladungsdichte demnach bei 600 Wattstunden pro Liter und die Energiedichten bei 250 Wattstunden pro Kilogramm. Bei Festkörperzellen seien Spannungen über 4,5 Volt denkbar und so höhere Energiedichten möglich. Aufgrund des rein keramischen Aufbaus seien Festkörperzellen außerdem nicht brennbar. Lorrmann zufolge zielen aktuelle Planungen auf eine Marktreife bis 2025 ab. Auf die Ladeinfrastruktur würden sich die Festkörper-Batterien indes nicht auswirken. „Sofern die Systemleistung in den Fahrzeugen nicht wesentlich geändert wird, wird keine Umrüstung notwendig sein“, sagt Lorrmann. Die Ladestrategien beim Laden von Lithium- statt Graphit-basierten Zellen würden von den Batteriemanagementsystemen der Fahrzeuge vorgegeben und an die Ladesäule kommuniziert. Das Bundesforschungsministerium fördert das bis Herbst 2020 laufende Verbundprojekt „Solid“ mit insgesamt 3,2 Millionen Euro.