Festkörperbatterien als Alternative

Seit über 20 Jahren ist fast jedes elektronisch betriebene Endprodukt mit der Lithium-Ionen-Batterie ausgestattet. Das Forschungszentrum Jülich arbeitet an einer Alternative: Die sogenannte Festkörperbatterie. // Von Tunahan Alkan und Imran Top

Zu Besuch bei dem Forschungszentrum Jülich. Hier wird in der Abteilung für elektrochemische Speicher an der Entwicklung der Festkörperbatterie geforscht. „Der große Entwicklungsschritt, der gemacht werden soll, ist, dass man von der Flüssigkeit auf den Festkörper wechseln möchte“, erklärt Dr. Sören Möller, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Team Festkörperbatterien. Noch sei ungewiss, wie Festkörperbatterien am effizientesten in der Produktion hergestellt werden können. Bei den Lithium-Ionen-Batterien hätten sich aktuell drei gute Mischungen aus tausenden chemischen Materialien etabliert, die eine optimale Bestandsfähigkeit für die Batterie entsprechen soll. Für die Festkörperbatterie sei die Wissenschaft noch auf der Suche nach den besten chemischen Mischungen.

Sören Möller erklärt in einem Interview die Unterschiede zwischen Festkörper-Batterie und Lithium-Ionen-Akku und geht auf die Bedeutung von leistungsfähigen Akkus für Elektroautos ein.

Konstruktion des ersten Prototypen

Die Abteilung für elektrochemische Speicher konzentriert sich aktuell auf die Entwicklung von Lithium- und Natrium-Festkörperbatterien. Diese sollen als neuartige, verbesserte Batterietypen für stationäre und mobile Anwendungen funktionieren. Die vom Team Festkörperbatterien angeführte Forschung, arbeitet aktuell an der Batterieentwicklung, beginnend mit der Materialchemie bis hin zu den Batteriekomponenten und den kompletten Zellen. Es existiert bereits ein Prototyp der Festkörperbatterie, sogenannte Dünnschichtzellen an denen jedoch noch das kommerzielle Interesse fehlt. Das Ziel ist die Festkörperbatterien mit hoher Energie- und Leistungsdichte in der Entwicklung voranzubringen.

Feststoffbatterie gegen Lithium-Ionen-Batterie

Celestine Singer, M.Sc Absolventin an der Technischen Universität München sagt, dass noch große Unsicherheiten bezüglich der Materialien für Festelektrolyte existieren. Das liege an den vielen Möglichkeiten, die Materialien miteinander zu kombinieren. Ziel sei es, eine möglichst hohe Ionenleitfähigkeit bei chemischer Stabilität zu erreichen.

Die Feststoffbatterie ist eine spezielle Bauform von Akkumulatoren, bei der die elektrischen Ionenleiter aus festem Material bestehen. Die Lithium-Ionen-Batterie hingegen hat flüssige Ionenleiter, die brennbar sind. Diese reagieren auf Tiefentladung als auch Überladung nachteilig. Die Festkörper-Batterie-Technologie soll eine Reichweite mit erhöhter Sicherheit und Leistung aufweisen. Eine höhere Energiedichte und somit eine verkürzte Ladezeit sei zu erwarten, laut ersten Angaben aus der Technik-Welt.

Entwicklungsstand der Forschung in Deutschland

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert der Kompetenzcluster “FestBatt“ seit 2019 die Entwicklung der Material- und Prozesstechnologie von Festkörperbatterien mit rund 16 Millionen Euro. An dem Kompetenzcluster sind 14 wissenschaftliche Einrichtungen und Universitäten beteiligt.

Das Zentrum für Materialforschung der Justus-Liebig-Universität Giessen koordiniert den Kompetenzcluster. Zu den Zielen der ersten Projektphasen gehören die Herstellung stabiler, hochwertiger Festelektrolyte und deren elektrochemischen Eigenschaften. Die Entwicklung von Festkörperbatterien auf Basis dieser Elektrolyte steht im Mittelpunkt weiterer Arbeiten. Auch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) errichtete ein Schwerpunktprogramm mit einer Laufzeit von 6 Jahren und rund 12,6 Millionen Euro. Ziel beider Forschungsprogramme ist eine Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln. Sören Möller erklärt in einem Interview die Unterschiede zwischen Festkörper-Batterie und Lithium-Ionen-Akku und geht auf die Bedeutung von leistungsfähigen Akkus für Elektroautos ein.

Mehr zum Thema der Elektromobilität kann bei technikjournal nachgelesen werden.

Teaserbild: Forschungszentrum Jülich GmbH - Instrumente einer Festkörperbatterie

Die Autoren

Imran Top

Tunahan Alkan

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