Optimierte Feststoffbatterien

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Die U Bremen Research Alliance ist eine Kooperation der Universität Bremen und zwölf Instituten der außeruniversitären Forschung. Einer der Schwerpunkte in Bremen ist die Batterieforschung. In ihrem Wissenschafts-Magazin Impact berichtet die Allianz über ihre Arbeit an alltagstauglichen Feststoffakkus.

Feststoffbatterien sind Chance und Herausforderung zugleich

Lithium-Ionen-Batterien gelangen allmählich an die Grenzen ihres Leistungspotenzials. Die Akkus der nächsten Generation sind Festkörperbatterien: Statt eines brennbaren flüssigen Elektrolyten nutzen sie feste Stoffe als Leiter für elektrischen Strom. In Frage kommen Sulfide oder Polymere, die nicht brennbar sind und eine hohe Energiedichte versprechen.

Im Labor gibt es Feststoffzellen bereits. Die Kunst ist es, daraus alltagstaugliche Batterien für Elektroautos oder Flugzeuge zu entwickeln. In der U Bremen Research Alliance arbeiten das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM und der Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen gemeinsam an dieser Herausforderung.

Grundlagenforschung und praktische Anwendungen von Festkörperakkus

An der Uni Bremen geht es um Grundlagenforschung im Bereich Feststoffakkus, am Fraunhofer IFAM dagegen um praktische Anwendungen. Dabei arbeiten die beiden Einrichtungen eng zusammen und ergänzen sich gegenseitig in ihren Kompetenzen. In der gemeinsamen Forschung geht es darum, wie Energie- und Leistungsdichte erhöht werden können, wie sich die Ladefähigkeit und Lebensdauer verbessern lässt, und wie sich die Sicherheit und Kreislauffähigkeit der Akkus steigern lassen. Es geht um neue Materialien und um die intelligente Überwachung der Batterien mithilfe von Algorithmen.

Wie Julian Schwenzel, Abteilungs­leiter für elektrische Energie­speicher am Fraun­hofer-Institut IFAM berichtet, haben Sulfide und Polymere unterschiedliche Eigenschaften. Während sich Polymere gut bearbeiten ließen, könne man Sulfide schneller laden und entladen. Letzteres sei wichtig für die Automobilindustrie, die zu den Kunden des Fraunhofer IFAM gehört. Allerdings seien Sulfide feuchtigkeitsempfindlich.

Im Labor erproben die Forschenden deshalb unterschiedliche Material-Rezepturen. Die Herausforderung: Im Labor funktionieren Feststoffakkus im Zentimetermaßstab zwar schon. Es sei jedoch eine andere Welt, sie im Großmaßstab herzustellen, so Schwenzel. Es gehe dabei um Zigtausende von Beschichtungen für mehrlagige verschaltete Einzelzellen zu einem Gesamtbatteriesystem. Das könne im Moment noch niemand leisten. Für elektrochemische Systeme brauche man ein enormes Know-how, die Prozesskette sei komplex. Batterien haben ein Eigenleben, erklärt Schwenzel gegenüber Impact: Sie würden altern, jede Batterie sei anders und kleine Verunreinigungen in der Produktion könnten einen großen Einfluss auf die Lebensdauer haben.

Die Arbeitsgruppe von Fabio La Mantia am Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen widmet sich der Analyse der Batterien. La Mantia hält eine Brückenprofessur im Fachgebiet „Energiespeicher- und Energiewandlersysteme“. Seine Arbeitsgruppe kann die Schwachstellen einer Batterie im Betrieb identifizieren und ihre Lebensdauer prognostizieren, unabhängig von der Art des Elektrolyten. Es gehe darum, die Batterie besser zu verstehen und sie zu optimieren, erklärt La Mantia, etwa durch eine permanente Erfassung der Daten.

Lösungsansätze für Lithium-Engpässe

La Mantia beschäftigt sich zudem mit der Frage, wie man mit der kommenden Lithium-Knappheit umgehen kann, bedingt durch die rasant steigende Nachfrage insbesondere aus der Autoindustrie. Ein Ansatz dafür sind Batterietechnologien, die ohne Lithium auskommen, etwa Metall-Luft-Batterien oder Batterien auf Basis von Zink in der stationären Energiespeicherung.

Ein weiterer Ansatz ist die Gewinnung von Lithium in Deutschland, denn das Metall kommt in der Natur in Form von Salzen vor. La Mantia und seine Arbeitsgruppe haben eine Methode entwickelt, um Lithium aus geothermischen Quellen und aus Abwasser zu gewinnen. Auch das funktioniert im Labor bereits, die Herausforderung ist auch hier die Übertragung auf größere Maßstäbe. Das Batterie-Recycling ist ein weiteres großes Thema in der Forschungskooperation. Die Partner arbeiten an verschiedenen Verfahren, um Batterien zu zerlegen und Rohstoffe wiederzugewinnen.

Marktreife Feststoffbatterie in fünf Jahren?

Der Bedarf an neuen, leistungsfähigen Batterien ist riesig, deshalb arbeiten weltweit viele Batterie- und Autohersteller an Feststoffbatterien. Bisher ist es aber nicht gelungen, eine alltagstaugliche Feststoffbatterie für Elektroautos zu präsentieren. Auch Julian Schwenzel vom Fraun­hofer-Institut IFAM rechnet erst in fünf Jahren mit der Marktreife.

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