Festkörperbatterien für die Elektromobilität

Festkörperbatterien (auch: Feststoffbatterien) sind ein wichtiger Baustein für die Elektrifizierung der Mobilität: Sie sind sicherer und ermöglichen mehr Reichweite und kürzere Ladezeiten als herkömmliche Li-Ion-Akkus. Neue Zellkonzepte ermöglichen sogar noch höhere Energiedichten. Das Fraunhofer IFAM erforscht polymer- und sulfidbasierte Festkörperbatterien für unterschiedliche Anwendungsbereiche der Elektromobilität. Die Entwicklungsarbeit orientiert sich an der industriellen Batterieherstellung und reicht von neuen Materialien für Festelektrolyte über Batteriekomponenten (Elektroden und Separatoren) bis hin zu Fertigungsprozessschritten und Assemblierung von Zellen.

Vorteile von Festkörperbatterien

Die Entwicklung von Festkörperbatterien auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie verspricht neben höherer Energiedichten von bis zu 500 Wh/kg (bzw. 1000 Wh/L) auch eine Schnell-Ladefähigkeit und intrinsische Brandsicherheit. Ermöglicht wird dieses durch den Austausch der derzeit in den Batterien eingesetzten brennbaren Flüssigkeiten (organische Elektrolyte) durch ionenleitende, feste Materialien. Diese erlauben aufgrund ihrer chemischen Beständigkeit den Einsatz von energiereicheren Materialien wie beispielsweise metallischem Lithium und weisen dazu noch eine längere Lebensdauer auf. Ein weiterer Vorteil von Batterien mit festem Elektrolyten liegt in der Realisierbarkeit von neuen platz- und gewichtsparenden Zellkonzepten. So ist neben dem Aufbau von bipolar verschalteten Zellen als neues Zelldesign auch die Form der Batterie frei wählbar. Dies eröffnet die Möglichkeit, Batterien nicht nur als Zuladung in mobilen Systemen einzusetzen, sondern sie direkt als Strukturelemente (Strukturbatterie) mit einzubauen.

Neue Materialien für die Batterie

Die Auswahl an festen Materialien als Elektrolyte in Festkörperbatterien ist groß und lässt sich grob in drei Gruppen aufteilen:

• Polymere bzw. organische Elektrolyte
• Sulfide bzw. Thiophosphate
• Oxide

Am Fraunhofer IFAM werden vor allem die ersten beiden Systeme betrachtet, da die Herstellung und Verarbeitung im Vergleich zum oxidischen System ohne Hochtemperaturschritte (Sintern) auskommen. Polymere Festkörperbatterien basieren zumeist auf thermoplastischen Systemen und bieten damit den Vorteil, bei der Herstellung auf langjährig erprobte Fertigungstechnologien wie Extrusion, Spritzguss oder Kalandrieren zurückgreifen zu können. Die Herausforderung ist, dass diese Materialien eine etwas geringere Leitfähigkeit und damit geringere Leistungsfähigkeit aufweisen. Festkörperbatterien auf Basis von sulfidischen Ionenleitern sind dagegen genauso leitfähig wie flüssige Elektrolyte und eignen sich daher auch für Hochleistungs-Anwendungen. Sie sind relativ weich und ermöglichen damit eine Fertigung über klassische, lösemittelbasierte Beschichtungstechniken. Nachteil der Systeme ist die Instabilität der Materialien gegenüber Feuchtigkeit.

Anwendungen in der Elektromobilität

Die Vielfalt an möglichen Festkörperbatterien erlaubt einen genauen Zuschnitt (Tailoring) der Batteriezelle auf die Anwendung.

Bereits heute werden Festkörperbatterien auf Polymerbasis im öffentlichen Nahverkehr (Bussen) eingesetzt, wo aufgrund von planbaren Fahrtrouten und geringen Geschwindigkeiten ein konstantes Beanspruchungsprofil prognostiziert werden kann.

In Zukunft können auch PKW (Elektroautos) mit leistungsstarken Festkörperbatterien ausgestattetet werden. Hier sind aufgrund des individuellen Fahrverhaltens und höherer Fahrdynamik hochenergetische Batterien mit hoher Leistung erforderlich.

Für die einsetzende Elektrifizierung und Individualisierung des Flugverkehrs (Flugtaxis) bieten Festkörperbatterien eine platz- und gewichtsparende Alternative mit robustem Design. Die intrinsische, thermische Sicherheit der Festkörperbatterie erlaubt zudem eine Reduktion des Wärmemanagements.

Die lange Lebensdauer und geringe Wartungsanforderungen machen die Festkörperbatterie zudem für Autonomous Guided Vehicles in Form von Robotern und Drohnen interessant. 

Alternative Anodenkonzepte für sichere Feststoffbatterien – ALANO (BMBF)

Das OEM-geführte Verbundprojekt ALANO fokussiert die Erforschung und Entwicklung der Lithiummetallanode. Ziel ist die Lithiummetallanode in Festkörperzellen durch Evaluation innovativer Lithiummetall-basierter Anodenkonzepte zu etablieren. Insbesondere in der elektromobilen Anwendung bestehen hierzu Herausforderungen hinsichtlich Reaktivität (Sicherheit) und Leistungsfähigkeit (Reichweite und Beschleunigung).

Die Aufgaben des Fraunhofer IFAM umfassen die Entwicklung, Prozessierung und Fertigung von Lithiummetall-Festkörperbatterien. Dabei wird die Materialzusammensetzung der Komponenten, wie Separatoren und Kompositkathoden, optimiert und die Fertigung der Zellkomponenten auf einen neuen Maßstab skaliert.

Zusammen mit den im Gesamtprojekt entwickelten Lithiummetallanoden werden anschließend Vollzellen in Form von Pouchzellen gefertigt. Ziel ist es hierbei sowohl mögliche Zelldesigns (bspw. monopolar/bipolar) als auch die nötigen Betriebsbedingungen (Temperatur und Druck) zu evaluieren.

Prozessentwicklung für die Serienfertigung

Seit 2018 erarbeitet das Fraunhofer IFAM Prozesse für die Serienfertigung von Festkörperbatterien am Projektzentrum für Energiespeicher und Systeme ZESS in Braunschweig. Hier entsteht ein Forschungsneubau mit Trockenraum zur Evaluierung verschiedener Prozesstechniken von der Materialsynthese bis zur Zellassemblierung. Der Fokus der derzeitigen Tätigkeiten liegt auf der skalierten Herstellung sulfidischer Elektrolytmaterialien sowie der Verarbeitung polymerer Elektrolyte. Entsprechend den Fortschritten bei der Zellentwicklung wird die Fertigung von Batteriezellen vorangetrieben.