Feststoffbatterien

Feststoffbatterien – Vorteile der vielversprechenden neuen Akku-Technologie

Inhalt des Wiki-Artikels

• Feststoffbatterien: eine aussichtsreiche Technologie für die Elektromobilität
• Vorteile von Festkörperakkumulatoren
• Forschung und Förderung von Feststoffbatterien
• Förderung der Batterieforschung durch das BMBF
• Vor- und Nachteile der Natrium-Ionen-Feststoffbatterie
• Forschungszentren in Deutschland

Feststoffbatterien: eine aussichtsreiche Technologie für die Elektromobilität

Die Feststoffbatterie ist eine neuartige Batterietechnologie, in die hohe Erwartungen gesetzt werden. Sie wird auch Festkörperakkumulator, Festkörperbatterie und SSLB – nach der englischen Bezeichnung „solid-state lithium-ion battery“ – genannt. Bei Feststoffbatterien sind einzelne, dünne Schichten mit festen Elektrolyten übereinander angeordnet. Die festen Ionenleiter in keramischer Form sind schwer entflammbar, die Sicherheit von Batteriezellen wird durch ihren Einsatz erhöht. Feststoffbatterien bieten gegenüber Lithium-Ionen-Akkus mit flüssigen Elektrolyten aber noch weitere Vorteile.¹

Vorteile von Festkörperakkumulatoren

Im Vergleich zu bisher üblichen Lithium-Ionen-Batterien haben Festkörperakkumulatoren eine wesentlich längere Lebensdauer. Während Erstgenannte bis zu 3000 Ladungszyklen erreichen, halten Feststoffbatterien bis zu 100 000 Zyklen. Die festen Ionenleiter sind Heißleiter, das bedeutet, ihre Leitfähigkeit steigt mit der Temperatur, während die Verlustleistung abnimmt. Somit kann sich ein Festkörperakkumulator nicht selbst überhitzen, so dass kein Thermal Runaway zu befürchten ist, der Batterien komplett zerstören kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich ein Elektrolyt nicht zersetzen kann, es ist also ausgeschlossen, dass sich Zellen aufgrund der Bildung von Gas wölben und sich die einzelnen Schichten infolgedessen voneinander lösen. Des Weiteren kann bei der Nutzung von festen Elektrolyten eine homogene Stromverteilung erreicht werden, die in Verbindung mit bestimmten Komponenten die Energiedichte und die Zellspannung steigert. Vorteilhaft ist außerdem, dass Feststoffbatterien sich mit sehr dünnen Schichten verwirklichen lassen. Die sogenannten Feststoff-Dünnschichtbatterien sind nicht nur äußerst kompakt, sie lassen sich auch flexibel gestalten.²

Forschung und Förderung von Feststoffbatterien

Um die Energie- und Leistungsdaten von Feststoffbatterien weiter zu verbessern, wird in Kooperation geforscht. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) förderte ein Projekt im Rahmen der Batterieforschung, an dem unter anderen Professor Jürgen Janek und andere Physikochemiker von der Justus-Liebig-Universität in Gießen und das Team um die Professorin Ellen Ivers-Tiffée vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mitwirkten. Die Forscherinnen und Forscher untersuchten die wesentlichen Eigenschaften von Feststoffbatterien mit diversen festen Elektrolyten.³ Bestünde die Möglichkeit, Lithiummetall als Elektrodenmaterial zu nutzen, könnte die Energiedichte der Batterien deutlich vergrößert werden. Feststoffbatterien sind eine aussichtsreiche Technologie, Energie- und Leistungsdaten müssen jedoch noch verbessert werden, um das volle Potenzial auszuschöpfen. Deshalb beschäftigen sich weltweit Forschungsstätten und Industrieunternehmen mit der Forschung und Entwicklung von Batteriekonzepten auf Feststoffbasis.⁴

Förderung der Batterieforschung durch das BMBF

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt die Batterieforschung in Deutschland mit Fördermaßnahmen. Ein Schwerpunkt liegt auf dem Aufbau und Erhalt einer wissenschaftlichen Infrastruktur der Elektrochemie für Batterien, die global wettbewerbsfähig ist. Deshalb wird die akademische Forschung ebenso gefördert wie die Einrichtung elektrochemischer Kompetenzzentren und die Erprobung neuer Technologien. Darüber hinaus ist der Transfer von Erkenntnissen aus der Forschung in die Praxis ein zentrales Anliegen des BMBF. Ziel ist, Deutschland eine führende Rolle im Bereich der Elektromobilität zu sichern.

Gefördert werden zum einen Forschungen zu Lithium-Ionen-Batterien mit Entwicklung fortschrittlicher Produktionsmethoden und Materialien für Hybrid- und Elektroautos, zum anderen neue Konzepte wie Metall-Luft-Batterien. 2014 startete die Förderinitiative Batterie 2020, im Rahmen derer Materialien und Prozesse für die Elektromobilität, stationäre Systeme und weitere industrierelevante Anwendungen erforscht und entwickelt werden. Ein Schwerpunkt der Initiative ist das Recycling von Batteriesystemen. Seit 2016 fördert das BMBF den Kompetenzcluster ProZell, dessen Kernaufgabe die Erforschung und Weiterentwicklung des Produktionsprozesses von Batteriezellen ist.

Auf Feststoffbatterien konzentriert sich der Kompetenzcluster FestBatt, der 2018 vom Bundesministerium in die Wege geleitet wurde. Gefördert wird die Forschung, um eine wissenschaftliche Basis für die Etablierung von Feststoffbatterien in Deutschland zu schaffen. Vor allem für den Einbau in E-Autos sind Feststoffbatterien eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus, da sie nicht nur eine höhere Energiedichte und eine verbesserte Schnellladefähigkeit ermöglichen, sondern auch intrinsisch sicherer sind. Die 14 Partner von FestBatt werden mit rund 16 Millionen Euro vom BMBF gefördert.⁵

Vor- und Nachteile der Natrium-Ionen-Feststoffbatterie

Neben Lithium-Ionen-Batterien werden auch Natrium-Ionen-Batterien erforscht, die ebenfalls als Festkörperakkumulator verwirklicht werden können. Vorteilhaft an Natrium ist, dass es in großen Mengen in der Natur vorkommt, es findet sich zum Beispiel im Meerwasser. Zudem sind Natrium-Ionen-Feststoffbatterien in der Herstellung günstiger, da Aluminium statt Kupfer für die Ableiterfolien der Anoden verwendet werden kann. Neue Produktionslinien wären nicht erforderlich, da die der Natrium-Ionen-Batterien ohne größeren Aufwand genutzt werden könnten.

Allerdings sind Natrium-Ionen größer und schwerer als Lithium-Ionen, was den Nachteil mit sich bringt, dass Natrium-Ionen-Batterien eine geringere Zellspannung und eine geringere Energiedichte als vergleichbare Lithium-Ionen-Batterien haben. Volumenschwankungen könnten zu Überbeanspruchung, Schäden und Kapazitätsverlusten führen. Darüber hinaus muss erst noch geprüft werden, ob Natrium-Ionen-Feststoffbatterien wirtschaftlich sind.⁶

Forschungszentren in Deutschland

In Deutschland wird an vielen Standorten zu Feststoffbatterien und Akkumulatoren im Allgemeinen geforscht. Die sechs größten Forschungszentren befinden sich in Braunschweig, Dresden, Itzehoe, München, Ulm und Münster. An der Technischen Universität Braunschweig werden unter anderem Lithium-Schwefel- und Feststoffakkus entwickelt. Die Forschung an der Technischen Universität Dresden konzentriert sich darauf, wertvolle Materialien beim Bau von Lithium-Ionen-Akkus einzusparen. In Dresden ist das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT ansässig, das darauf spezialisiert ist, mittels unterschiedlichster Materialien und elektrochemischer Systeme Akkumulatoren an spezielle Anforderungen anzupassen. An der Technischen Universität München untersucht eine Forschungsgruppe, wodurch die Alterung, die Lade- und die Entladezeit von Lithium-Ionen-Batterien beeinflusst werden. Materialien, die Lithium ersetzen könnten, werden am Helmholtz-Institut Ulm erprobt: Magnesium-, Kalzium- und Natrium-Batterien sind hoffnungsvolle Anwärter.⁷