In einem neuen dreijährigen Forschungsprojekt soll die Basis für eine produktionstaugliche nächste Generation von Antriebsbatterien für Elektroautos geschaffen werden. Das teilte das am Projekt beteiligte Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC mit. Ziel des Projekts sei die Entwicklung einer Festkörperbatterie, die einen stabilen Lade- und Entladezyklus bei Raumtemperatur ermöglicht und sich zugleich zügig aufladen lässt.
Hintergrund des Projekts ist, dass die weltweite Produktion hochmoderner Lithium-Ionen-Batteriezellen heute größtenteils in den Händen asiatischer Unternehmen liegt. Beim Umstieg vom Verbrennungsmotor auf den 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.
Festkörperbatterien bieten Riesenchance für europäische Industrie
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. 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.
Wissenschaft und Industrie aus Deutschland und der Schweiz beteiligt
Neben dem Würzburger Fraunhofer ISC ist auch die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) aus der Schweiz an dem Projekt namens IE4B („Interface Engineering for Safe and Sustainable High-Performance Batteries“) beteiligt.
Zudem begleiten Industrieunternehmen aus Deutschland und der Schweiz das IE4B-Projekt von Anfang an als Teil einer Lenkungsgruppe. Dabei handelt es sich unter anderem um Unternehmen 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).
Projekt unterteilt sich in zwei Phasen
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. Hier ergänzen sich das Fraunhofer- und das Empa-Knowhow in idealer Weise“, erklärt Henning Lorrmann, Leiter des Fraunhofer Forschungs- und Entwicklungszentrum Elektromobilität Bayern (FZEB) am Fraunhofer ISC.
Der zweistufige Ansatz biete entscheidende Vorteile: Als Modellsystem in Phase 1 sei der Aufbau der Dünnschichtzellen einfacher zu analysieren. Damit könnten die am besten zusammenpassenden Elektroden- und Elektrolytkombinationen identifiziert werden. Der komplexere dreidimensionale Aufbau größerer Batteriezellen in Phase 2 werde durch die vorher abgestimmten Materialien wesentlich erleichtert.
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