Foto: Empa

Mobilität

Festkörperbatterien für E-Autos als Chance gegen asiatischen Wettbewerb

Forschung für die nächste Generation von Antriebsbatterien für Elektroautos: Anders als Lithium-Ionen-Zellen sollen diese nur aus Feststoffen bestehen.

Nicole Weinhold

Das Schweizer Forschungsinstitut Empa und das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg haben ein dreijähriges gemeinsames Forschungsprojekt gestartet, um die Basis für die nächste Generation von Antriebsbatterien für Elektroautos zu schaffen. Heute gebräuchliche Lithium-Ionen-Zellen sollen durch Feststoffen ersetzt werden, die keine brennbaren flüssigen Elektrolyte enthalten. Während Empa die chemisch-physikalischen Grundlagen für diese neue Batterietechnologie schafft, liefert das Fraunhofer ISC Knowhow in der Verfahrensentwicklung und Batteriezellproduktion und fertigt erste Prototypen.

Ziel ist es, die Schlüsseltechnologie für den Bau von E-Auto-Batterien nach Europa zu holen. Denn die weltweite Produktion hochmoderner Lithium-Ionen-Batteriezellen liegt heute grösstenteils in den Händen asiatischer Unternehmen, und so ist dort auch das Technologiewissen verankert.

Festkörperbatterie als Chance

Der kommende Technologiesprung hin zu Festkörperbatterien bietet dazu eine Chance. Derartige Batteriezellen kommen ohne brennbare flüssige Elektrolyte aus und bringen damit eine deutlich verbesserte Betriebssicherheit, aber auch Vorteile bei Baugrösse und Gewicht, weil eine weniger aufwendige Sicherheitskapselung notwendig ist. Darüber hinaus versprechen Festkörperbatterien durch den Einsatz von metallischem Anodenmaterial eine höhere Energiedichte und deutlich kürzere Ladezeiten.

Während Komponenten wie Anode, Kathode, Elektrolyt künftiger Festkörperbatterien im Labor bereits gut untersucht sind, besteht die grösste Herausforderung darin, diese zu einem stabilen Gesamtsystem zusammenzuführen. Dabei ist es wichtig, eine lange Lebensdauer bei hoher Leistung über möglichst viele Lade- und Entladezyklen zu erreichen, und so heute übliche Batteriesysteme in ihrer Leistungsfähigkeit zu übertreffen.

Prototypentest und Kleinserie

Bei dem Projekt namens IE4B entwickelt Empa Festkörperelektrolyte, stellt dünnen Schichten mit massgeschneiderten elektronischen Eigenschaften her und charakterisiert sie. Das Fraunhofer ISC mit seinem Fraunhofer Forschungs- und Entwicklungszentrum Elektromobilität Bayern arbeitet an Lithium-leitenden Polymeren sowie an der Entwicklung von Schutzschichten aus Sol-Gel-Materialien mit spezifischen Eigenschaften für Batterien. Darüber hinaus entwickelt, fertigt und testet es Prototypen und Kleinserien von Batteriezellen.

Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Festkörperbatterie, die einen stabilen Lade- und Entladezyklus bei Raumtemperatur ermöglicht und sich zugleich zügig aufladen lässt. Das Projekt ist in zwei Phasen unterteilt: Die erste Phase behandelt grundlegende Aspekte und nutzt Batterie-Modellsysteme, die mit Dünnschichtmethoden an der Empa und am ISC hergestellt werden.

In der zweiten Phase soll dieses Wissen genutzt werden, um mit der verfahrenstechnischen Expertise des Fraunhofer ISC eine funktionsfähige Festkörperzelle herzustellen und in einer Kleinserie zu produzieren.

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