Forschung zu Festkörperakkus in Österreich

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Das Austrian Institute of Technology arbeitet seit Jahren an Technologien für eine effiziente und nachhaltige Elektromobilität. Eine wichtige Säule in Österreich ist die Batterieforschung. Jetzt gründet das AIT die neue Einheit „Battery Technologies“, um seine bestehenden Aktivitäten zu bündeln und auszubauen.

Wie sieht die ideale Batterie aus?

Die ideale Batterie sieht für Marcus Jahn vom AIT so aus: „Die ideale Batterie verfügt über eine hohe Energie- bzw. Leistungsdichte, sie ist umweltfreundlich, sicher und kostengünstig.“ Die derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien erfüllen diese Anforderungen noch nicht. Im Hinblick auf Alterung, Sicherheit, Ressourceneinsatz oder Recycelbarkeit gibt es noch viele Herausforderungen.

Welche konkreten Batterietypen sich in Zukunft durchsetzen werden, sei noch nicht absehbar, so Jahn. „Der ideale Akku wird wahrscheinlich nicht eine einzige Zellchemie oder Form sein. Denn es ergeben sich aus vielen Anwendungsgebieten sehr viele verschiedene Anforderungen“, erklärt er. Für stationäre Speicher seien die Kosten am wichtigsten, während die Energiedichte weniger entscheidend sei. Bei einem Handy oder einem Fahrzeug gebe es wieder ganz andere Anforderungen.

Eigener Forschungsbereich für Feststoffbatterien

Ein wichtiger Teilbereich der neuen Batterieeinheit sind Festkörperbatterien. Im Bereich „Solid State Batteries“ will das AIT Herstellungsmethoden für verschiedene Arten von Feststoffakkus entwickeln. Für diese Akkus mit festem Elektrolyt gibt es eine Reihe von möglichen Materialien, etwa Polymere, Keramiken und Gläser oder Sulfid-basierte Substanzen. Alle haben Vor- und Nachteile.

Suche nach Alternativen zu Lithium

Doch Festkörperbatterien sind nur ein Teilbereich der neuen Batterieeinheit. Im Forschungsbereich „Battery Materials Development and Characterisation” arbeitet das AIT an neuen Materialien, die Lithium als Batteriematerial ablösen könnten. Lithium bringt bei Alterung und Sicherheit einige Probleme mit sich und gilt zudem als kritischer Rohstoff. Mögliche Alternativen sind Magnesium-Ionen-Batterien oder Natrium-Ionen-Batterien, doch hier ist noch einige Forschungsarbeit nötig. Ebenso bei neuen Batterien, die ganz ohne Kobalt funktionieren.

Neue Herstellungsmethoden

Das dritte Forschungsfeld in der Batterieeinheit ist „Sustainable and Smart Battery Manufacturing“. Dabei geht es vor allem um den Sprung vom Labor in die industrielle Fertigung für neue Batterietypen. Dazu hat das AIT in den letzten Jahren eine Forschungsinfrastruktur mit industrienaher Prototypenfertigung aufgebaut. Dort können alle Prozesse intensiv untersucht und weiterentwickelt werden.

Nachhaltigkeit steht im Mittelpunkt

Das Thema Nachhaltigkeit ist in allen drei Forschungsbereichen zentral. Das betrifft neben der Effizienz von Elektrofahrzeugen und den CO2-Emissionen auch die Herstellung. Die ideale Batterie enthält demnach keine toxischen Anteile, lässt sich gut recyceln, und besteht idealerweise bereits zu einem großen Teil aus recycelten Materialien. Sie sollte keine kritischen Rohstoffe enthalten und auch die Herstellung sollte ohne giftige Substanzen möglich sein.

Mit der neuen Batterieeinheit hat das AIT also die gesamte Prozesskette im Blick. Das sei ein Alleinstellungsmerkmal, erklärt Forscher Marcus Jahn. „In Europa gibt es maximal eine Handvoll anderer Gruppen, die etwas Ähnliches probieren“, so Jahn. Aufbauend auf dem Wissen über die Materialien müssten völlig neue Herstellungsverfahren entwickelt werden, um Feststoffbatterien in einigen Jahren praxisreif zu machen. Um diese Systeme besser zu verstehen, müssten jedoch noch grundlegende Fragen beantwortet werden.

Die am AIT entwickelten Batterien sind nicht nur für Elektrofahrzeuge gedacht, sondern auch für Elektroflugzeuge. Die Forscher arbeiten etwa an Batterien, die in die Tragflächen integriert werden. Ein Thema, das ebenfalls immer wichtiger wird, sind sogenannte „Smart Cells“. Also Batteriezellen und -module mit Sensoren, die den Gesundheitszustand der Zelle überwachen. Das liefert wichtige Informationen zur Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Sicherheit einer Batterie.

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