Steht die keramische Festkörperbatterie vor der Kommerzialisierung?

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Ist die keramische Festkörperbatterie nun kurz vor der Kommerzialisierung und eine Alternative zur Lithium-Ionen-Batterie? Die Forschungen für emissionsfreie Batterien hat schon vor Jahrzehnten begonnen, doch nie kam man dem Durchbruch so nahe. Nun scheint die metallfreie keramische Festkörperbatterie kurz vor der Kommerzialisierung zu stehen.

Bisheriger und aktueller Forschungsstand

Die Forschung bemühte sich bereits vor 40 Jahren eine emissionsfreie Batterie ohne Lithium, Kobalt, Graphit oder Kupfer herzustellen. Bereits in den 80er Jahren wurde die „ZEBRA – Zero Emission Battery Research Activities“ genannte Batterie entwickelt. Sie besteht aus Kochsalz (NaCl2) und Nickel (Ni) und kann bei 300 °C betrieben werden. Damals orientierte sich der Markt aber an der Lithium-Ionen-Batterie und bremste die Produktion der ZEBRA-Batterie.

Ganz konnten die Batterien aber nie verdrängt werden. Die aktuell weltweit am meisten betriebenen Hochtemperaturbatterien sind Natrium-Schwefel-Batterien. Ihnen liegt dieselbe Technologie sowie der gleiche Festkörperelektrolyt (Natriumbetaaluminat) zugrunde. Nun scheint die Natriumtechnologie zurück zu sein und die keramische Festkörperbatterie Cerenergy steht kurz vor der Kommerzialisierung.

cerenergy – Die Natriumnickelchlorid-Batterie

Anders als bisherige Natriumbatterien enthält die Cerenergy-Batterie auf der Anodenseite weder Grafit noch Kupfer. Genau genommen handelt es sich bei der Anode um einen Film aus geschmolzenem Natrium, der sich zwischen der Stahlelektrode und dem äußeren Rand des keramischen Elektrolyten bildet. Die Anode entsteht erst während des Ladevorgangs. Entwickelt wurde die Batterie von Cerenergy, der Technologieplattform des Fraunhofer IKTS für Keramik-basierte Hochtemperaturbatterien.

Hinter der Neuentwicklung von NaNiCl2- und NaS-Batterien steht der Wunsch nach zukunftsfähigen, möglichst kostengünstigen Zellen und Systemen. Die Endkosten sollen deutlich unter 100 €/kWh auf Zellebene liegen. Dies konnte man durch eine hoch automatisierte Fertigungstechnologie bei der Herstellung des keramischen Elektrolyten und einem schlanken Zell- und Systemdesign erreichen. Ferner sind die verwendeten Rohstoffe gut verfügbar und kostengünstig.

In Testverfahren hat sich die Cerenergy-Batterie bereits in stationären Batteriemodulen bewährt, so teilte der Institutsleiter des Fraunhofer IKTS mit.

Funktionsweise der cerenergy

Die Cerenergy-Batterie besteht aus einem Keramikrohr mit einem positiven Pol in der Mitte. Das feste keramische Rohr ist in einem Edelstahlbehälter untergebracht, der als Minuspol fungiert. Hinsichtlich der Funktionsweise hat das Keramikrohr für Natriumionen eine leitende, aber für Elektronen eine isolierende Funktion und soll einen schnellen Transfer der Natriumionen durch die Röhre gewährleisten. Im Inneren der Keramikröhre befindet sich ein Kathodengranulat, welches aus Kochsalz (NaCl2) und Nickel (Ni) besteht. Damit zwischen dem festen Kathodengranulat und dem keramischen Rohr kein Kontakt entsteht, spült man die positive Elektrode mit geschmolzenem Chloraluminat (NaAlCl4).

Mithilfe von Pressen lassen sich diese Rohre mit einer Länge von bis zu 300 mm produzieren. Sie besitzen eine ionische Leitfähigkeit von bis 300°C und hohe Dichten.

Vorteile der Natriumnickelchlorid-Batterie: sicher, umweltfreundlich, kostengünstig

Die emissionsfreie Cerenergy-Batterie bietet viele Vorteile, warum sie für die Zukunft als Energiespeicher sehr bedeutend ist. Aufgrund der verwendeten Rohstoffe und dadurch, dass sie keine schädlichen Substanzen freisetzt, hat sie eine gute Umweltverträglichkeit. Ferner spricht auch das hohe Maß an Sicherheit bei der Nutzung einer keramischen Festkörperbatterie für sie. Anders als Lithium-Ionen-Batterien neigt eine Festkörperbatterie nicht zum Durchbrennen und enthält keine brennbaren flüssigen Elektrolyte. Darüber hinaus besitzt sie weder Oxide noch erzeugt sie Sauerstoff an der Kathode. Demnach benötigt sie auch keine Klimatisierung oder Einzelzellüberwachung.

Weitere Vorteile sind die nachweislich hohe Zyklenzahl und lange Lebensdauer sowie ihre Unabhängigkeit von kritischen Lieferengpässen und Preissteigerungen von Rohstoffen. Im Grunde nutzt sie nur Kochsalz und geringe Mengen Nickel. Daher ist auch zu erwarten, dass die Herstellungskosten rund 40% niedrigere sind als von Lithium-Ionen-Batterien.

Zukunftsvision: Emissionsfreie Speicherlösungen

Stationäre Energiespeicher sind ein wichtiger Bestandteil für das Wachstum der Elektrifizierung in Deutschland, Europa und der ganzen Welt. Laut Prognosen wird in den kommenden Jahren ein Wachstum von 28% CAGR für netzgebundene, stationäre Energiespeichersysteme erwartet. Man nimmt an, dass der Markt für Batteriespeichersysteme von 4,4 Milliarden US-Dollar im Jahr 2022 auf 15,1 Milliarden US-Dollar im Jahr 2027 steigt.

Für die Zukunft sind vor allem emissionsfreie Speicherlösungen, jenseits der herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, notwendig. Keramische Festkörperbatterien sind nicht nur gut verfügbar und bieten ein höheres Maß an Sicherheit, sondern zeichnen sich auch durch niedrigeren Anschaffungs- und Betriebskosten aus. Sie sind daher optimal als Energiespeicherlösung der Zukunft.

Gemeinsam mit der Altech Group hat das Fraunhofer IKTs Ende letzten Jahres das Joint Venture Altech Batteries GmbH für die Kommerzialisierung der keramischen Festkörperbatterie Cerenergy gegründet. Geplant ist eine Cerenergy-Batteriefabrik in Sachsen.

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