Festkörperbatterien für Elektroautos von morgen - Schweizer Forschende wollen Batterieproduktion nach Europa bringen

Feststoffbatterie
Stephan Bücheler stellt mit Hilfe von Dünnschichtmethoden Modellsysteme für Festkörper-Batterien her. © Empa.

Im Rahmen eines Kooperationsprogramms starteten die Schweizer "Empa" und das Deutsche "Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC" Anfang Januar ein dreijähriges gemeinsames Forschungsprojekt, um die nächste Generation von Antriebsbatterien für Elektroautos zu schaffen. Anders als heute gebräuchliche Lithium-Ionen-Zellen sollen diese nur noch aus Feststoffen bestehen und keine brennbaren flüssigen Elektrolyt mehr enthalten. Vorteil: Viel schneller aufladbar, leichter und sicherer da schwer entflammbar.

Ziel: Batterieproduktion nach Europa holen

Die weltweite Produktion hochmoderner Lithium-Ionen-Batteriezellen liegt heute grösstenteils in den Händen asiatischer Unternehmen. Beim Umstieg vom Verbrennungsmotor auf Elektroantrieb wäre die europäische Automobilindustrie mit ihren 3,4 Millionen Beschäftigten also auf Antriebsbatterien asiatischer Hersteller angewiesen – falls es nicht gelingt, diese Schlüsseltechnologie nach Europa zu holen.

Feststoffbatterie mit erhöhter Sicherheit und weniger Gewicht

Der kommende Technologiesprung hin zu Festkörperbatterien bietet dazu eine Riesenchance. Derartige Batteriezellen kommen ohne brennbare flüssige Elektrolyte aus und bringen damit eine deutlich verbesserte Betriebssicherheit, aber auch Vorteile bei Baugrösse und Gewicht, weil eine weniger aufwendige Sicherheitskapselung notwendig ist.

Deutlich kürzere Ladezeiten von Festkörperbatterien

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.

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. Die Kooperation zwischen der Empa und dem Fraunhofer ISC hat das Ziel, die wichtigsten technologischen Barrieren für eine industrielle Fertigung der Festkörperbatteriezellen zu beseitigen.

Weltweite Partnerschaften

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.

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.

Von ABB bis Varta: Namhafte Hersteller sind mit an Bord

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).

Quelle: Empa
Bild: © Empa

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Daniel
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