Feststoffbatterien: Forschungsprogramm von Fraunhofer ISC und Empa

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Das Fraunhofer-Institut ISC und die Empa forschen gemeinsam an Feststoffbatterien für Elektroautos. Es geht darum, die Basis für serienreife Batterien zu schaffen, die eine große Chance für Europa als Batteriestandort wären. Die asiatische Dominanz auf dem Batteriemarkt könnte damit gebrochen werden.

Das Forschungsprojekt „IE4B“ läuft seit Anfang 2019 und ist auf drei Jahre angelegt. Die Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt) mit Sitz in der Schweizer Stadt Dübendorf liefert die chemisch-physikalischen Grundlagen, während das Würzburger Fraunhofer ISC seine Expertise im Verfahrensentwicklung und Batteriezellproduktion beisteuert und erste Prototypen fertigt.

Hoffnungsträger Festkörperbatterie

Aktuell stammen die meisten Lithium-Ionen-Zellen aus Asien. Um den Umstieg von Verbrennungsmotoren auf Elektroautos zu stemmen, ist die europäische Autoindustrie auf große Mengen an Batteriezellen angewiesen und damit abhängig von Importen aus Asien. Die Hoffnung liegt daher auf neuen Technologien wie der Feststoffbatterien, bei denen asiatische Hersteller keinen Vorsprung haben.

Feststoffbatterien versprechen hohe Reichweiten für Elektroautos und enthalten zudem keine flüssigen Elektrolyte mehr. Das macht sie im Betrieb sicherer, weil sie im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien nicht entflammbar sind. „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“, fasst das Fraunhofer ISC die Vorteile der Technologie zusammen. Zudem seien deutlich kürzere Ladezeiten und eine höhere Energiedichte möglich, weil metallisches Anodenmaterial statt der heute üblichen Graphit-Anoden eingesetzt wird.

Forschung an Feststoffbatterien in zwei Etappen

Das Fraunhofer-Institut ISC und Empa haben sich zwei Etappen vorgenommen. In der ersten Phase werden grundlegende Aspekte behandelt und dabei Batterie-Modellsysteme genutzt, die mit Dünnschichtmethoden an der Empa und am ISC hergestellt werden. Die Partner wollen die Prozesse, die an den Grenzflächen zwischen Kathode, Festkörperelektrolyt und Anode ablaufen, genau verstehen und besser kontrollieren.

Anschließend wollen die Forscher auf Grundlage dieses Wissens eine funktionsfähige Festkörperzelle herstellen und in Kleinserie produzieren. Diese soll einen stabilen Lade- und Entladezyklus bei Raumtemperatur ermöglichen und sich zugleich zügig aufladen lassen. Der zweistufige Ansatz hat den Vorteil, dass sich der Aufbau der Dünnschichtzellen als Modellsystem einfacher analysieren lässt. So können die Partner die beste Kombination aus Elektrode und Elektrolyt identifizieren. Das erleichtert den komplexen dreidimensionalen Aufbau größerer Zellen in Phase zwei.

Pierangelo Gröning ist Mitglied der Direktion der Empa und einer der Koordinatoren des Projekts. Er erklärt: „Die Lithium-Ionen Feststoffbatterie ist in ihrem Aufbau sehr komplex und seitens der Materialwissenschaft eine große Herausforderung. Durch die Kooperation verbinden wir herausragende Kompetenzen aus Materialwissenschaft und Verfahrenstechnik – und genau das ist erforderlich, um die Entwicklung der Feststoffbatterie erfolgreich voranzutreiben.“ Die Partner haben von Anfang an auch Industrieunternehmen aus Deutschland und der Schweiz mit im Boot, u.a. Heraeus, die Bühler Gruppe, Applied Materials, Varta und ABB.

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