Beschleunigte Entwicklung von Festkörperbatterien

Mehr als 30 Jahre nach Markteinführung ist die Lithium-Ionen-Batterie ein Massenprodukt. Einst eine kleine Knopfzelle, ist sie heute nicht mehr aus der mobilen Kommunikationstechnologie wegzudenken. Sie wird in Endgeräten sowie elektrisch betriebenen Fahrzeugen sowie bei der stationären Energiespeicherung verwendet, doch sie weist eine hohe Brandgefahr auf. Demgegenüber bieten Festkörperbatterien (SSB – Solid-State Batteries) mehrere Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Batterien und gelten als wesentlich sicherer. Im Laufe der letzten Jahre hat sich die Entwicklung der Festkörperbatterien beschleunigt.

Vorteile von Festkörperbatterien gegenüber Lithium-Ionen-Batterien

Festkörperbatterien bieten einige wesentliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien:

• Sicherheit: Diese Batterietechnologie verwendet feste Elektrolyte, die weniger entflammbar sind als flüssige Elektrolyte. Dies reduziert das Risiko von Bränden und Explosionen erheblich.

• Energiedichte: Diese Batterien haben eine höhere Energiedichte, was wiederum zu längeren Laufzeiten und mehr Reichweite bei Elektrofahrzeugen führt.

• Ladezeiten: Darüber hinaus bieten sie kürzere Ladezeiten, was sie attraktiver für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen macht.

• Lebensdauer: Ferner neigen Festkörperbatterien zu einer längeren Lebensdauer und einem geringeren Kapazitätsverlust über viele Ladezyklen hinweg. Dies macht sie nachhaltiger und reduziert den Batterieabfall.

• Umweltfreundlichkeit: Sie sind auf weniger schädliche Materialien angewiesen und haben eine längere Lebensdauer, das macht sie umweltfreundlicher als Lithium-Ionen-Batterien.

Steigender Bedarf an leistungsfähigen, sicheren Batterien

Dadurch wächst der Bedarf nach leistungsfähigeren Batterien, aber auch die Sorge um die Verfügbarkeit der Rohstoffe und die Versorgungssicherheit. Forschende und Vertreter:innen aus der Industrie haben auf dem Industrietag in Frankfurt im House of Logistics and Mobility (HOLM) über aktuelle Ergebnisse der Festkörperbatterietechnologie informiert. Aktuell sind beschleunigte Entwicklungen der leistungsfähigen Festkörperbatterie zu erkennen – vor allem asiatische Akteure treiben den Markt voran. Trotzdem ist seit dem Industrietag klar, dass weiterhin eine intensive Forschungsarbeit notwendig ist, um ein konkurrenzfähiges Produkt zu entwickeln.

Voraussetzungen für eine erfolgreiche Batterieforschung

Durch die tiefgreifenden Einblicke des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Kompetenzclusters ist es einfacher, wichtige strategische Entscheidungen zu treffen und die Entwicklungsprojekte zu lenken. Die gewonnenen Ergebnisse werden anschließend vom BMBF an die Industrie weitergeleitet.

Prof. Dr. Dr. h.c. Jürgen Janek, Leiter des Forschungsclusters FestBatt am Physikalisch-Chemischen Institut der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) gibt einen Überblick über den aktuellen Forschungsstand.

Förderung des Kompetenzclusters FestBatt

Die Arbeit des Kompetenzclusters „FestBatt“ unterliegt der Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF). Ziel ist der Aufbau von Wissen und Kompetenz für die Entwicklung und Realisierung unterschiedlicher Zellkonzepte für Festkörperbatterien. Dabei liegt der Fokus, neben der Produktion, Optimierung, Verarbeitung und Skalierung geeigneter Festelektrolyten, vor allem auf der Bewertung der Zellkonzepte und der prozesstechnischen Realisierung der Batterien.

Während der beiden vorherigen Förderphasen seit 2018 haben Forschende es geschafft, das FestBatt Konzeptcluster international sichtbar zu machen. Dies ist eine bedeutende Unterstützung für deutsche Industrieunternehmen in einer wichtigen Technologiebranche. Das Cluster konnte sich ein kompetenzfähiges Image verschaffen durch Veröffentlichungen, Patente, Folgeprojekte, Bewertungen und Stellungnahmen. Darüber hinaus spielen aber auch die Ausbildung junger Fachkräfte und Experten eine bedeutende Rolle. Innerhalb der letzten 6 Jahre konnten über 100 promovierte Fachkräfte in die Industrie wechseln.

Forschungsbemühungen im Bereich der Batterietechnologie

Forschungsstand: Laut Prof. Dr. Janek gebe es momentan in diesem Bereich zwei wesentliche Forschungs- und Entwicklungsstränge.

Die Entwicklung der Natrium-Ionenbatterie (SIB = Sodium-ion battery) scheint die Lösung für die Ressourcensorge durch den Verzicht auf Lithium und andere Metalle zu sein. Die Lithium-Lieferketten unterliegt zudem hohen Kostenschwankungen und der Rohstoff ist nur in wenigen Gebieten der Welt abbaubar. Obschon die Natrium-Ionenbatterie (SIB = Sodium-ion battery) diese Probleme nicht hat, liefert sie nur knapp dieselbe Leistung der Lithium-Ionen-Batterie. Deswegen betrachtet man sie eher als Energiespeicher für Anwendungen.

Anders sieht es mit Festkörperbatterien auf Lithiumbasis (SSB = Solid-state battery) aus, welche die Lösung für den Bedarf an leistungsfähigen Batterien sein sollen. Dabei steht eine höhere Menge gespeicherte Energie pro Volumen und Masse im Fokus, aber auch die Geschwindigkeit, mit welcher die Energie geladen werden kann.

Sorge um Forschungsförderung

Doch neben den positiven Forschungsbemühungen und schnellen Entwicklung der Technologie machen sich auch Sorgenunter den Forschenden und Industrievertreter:innen breit. Hierbei geht es vor allem um geplante Kürzungen der Forschungsförderung des BMBF in Bereich der Batterieforschung. Besonders besorgniserregend ist dies im Hinblick auf die starke internationale Konkurrenz, welche Deutschlands mühsame Forschungsarbeit schwächen kann. Prof. Dr. Dr. Janek betont zudem:

„Nur eine berechenbare langfristige Unterstützung auch des Bundes kann zu den gewünschten Ergebnissen in der Grundlagenforschung führen und Deutschlands Platz im zukunftsträchtigen Forschungsgebiet Batterietechnologie sichern. Darin waren sich alle auf dem Industrietag einig.“

Aktuelle Probleme mit Festkörperbatterien

Momentan befinden sich Festkörperakkus noch in der Entwicklungsphase und Forschende beschäftigen sich damit, dass es kleine Dendrite in der Batterie bilden. Diese verursachen Kurzschlüsse und reduzieren somit die Lebensdauer. Ferner ist man noch mit der Analyse der Ladefähigkeit bei geringen Temperaturen sowie der Schnellladefähigkeit der Batterie beschäftigt. Hierfür sind Nachweise aus der Praxis notwendig. Daher arbeiten Forschende an rentablen Lösungen.

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