Alternative Fertigungsverfahren und -technologien mit besonderem Fokus auf Festkörperbatterien

Feststoffbatterien verwenden feste Elektrolyte und unterscheiden sich damit von herkömmlichen Batterien, die auf flüssige oder gelartige Elektrolyte zurückgreifen. Damit stellen sie im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien eine neue vielversprechende Technologie dar. Neben ihrem Innovationspotenzial weisen Feststoffbatterien weitere potenzielle Vorteile auf:

• Höhere Energiedichte:
  Feststoffbatterien haben das Potenzial, eine höhere Energiedichte zu erreichen als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, da sie perspektivisch den Einsatz neuer Anodentechnologien wie Lithium-Metall ermöglichen könnten. Dies bedeutet, dass sie mehr Energie pro Volumen oder Gewicht speichern können, was zu längeren Reichweiten in Elektrofahrzeugen oder längeren Betriebszeiten in anderen Anwendungen führen könnte.
• Verbesserte Sicherheit:
  Da reine Feststoffbatterien keine brennbaren flüssigen Elektrolyte enthalten, sind sie intrinsisch sicherer als herkömmliche Batterien. Dies reduziert das Risiko von Bränden oder Explosionen erheblich und macht Feststoffbatterien besonders attraktiv für Anwendungen, bei denen Sicherheit oberste Priorität hat, bspw. in Elektrofahrzeugen.
• Verbesserte Zyklenlebensdauer:
  Feststoffbatterien könnten eine verbesserte Zyklenlebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Batterien aufweisen, was bedeutet, dass sie über eine längere Zeit hinweg mehr Lade- und Entladezyklen ohne signifikanten Leistungsverlust durchführen können. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit erfordern.

Was sind die Herausforderungen bei Festkörperbatterien?

Die Herausforderungen stecken vor allem in der Vielzahl der möglichen Materialien (Polymere, Oxide, Sulfide), die sich potenziell als Festkörperelektrolyt eignen. Obwohl Feststoffbatterien vielversprechende Vorteile bieten, könnte eine Umstellung der Fertigungsprozesse und -umgebung von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien auf Feststoffbatterien aufgrund mehrerer Faktoren sehr schwierig sein. Einerseits erfordern Feststoffbatterien oft spezielle, beispielweise besonders trockene oder inerte Produktionsumgebungen und Reinraumbedingungen, um die Qualität und Leistung der Batterien zu gewährleisten. Andererseits benötigt die Herstellung von Feststoffbatterien oft völlig andere Verfahren, Anlagen und Materialien im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Dies könnte bedeuten, dass bestehende Produktionslinien und Ausrüstungen nicht einfach für die Produktion von Feststoffbatterien umgerüstet werden können. Die Aufgabe der Innovationslabore ist es deshalb, Parameter zu ermitteln, die eine möglichst effiziente Produktion der Festkörperbatterie ermöglichen.

Das Projekt

Das Forschungsteam des Projekts »FoFeBat« TP4 nimmt sich den Herausforderungen an, grundlegende Fragestellungen zur Produktion von Feststoffbatterien zu beantworten und gleichzeitig die erforderliche Infrastruktur für diese Produktion aufzubauen. Innerhalb von Innovationslaboren werden im Projekt alternative Fertigungsverfahren und -technologien entlang der Batteriezellen-Wertschöpfungskette mit einem besonderen Fokus auf Feststoffbatterien erforscht. Dabei werden vorhandene Elektrolytsysteme in großem Maßstab synthetisiert und in verschiedenen Zellchemien auf ihre Leistungsfähigkeit, Betriebsbedingungen und Sicherheitsaspekte hin untersucht.

Die Fraunhofer FFB beschäftigt sich im Rahmen der Innovationslabore mit der Optimierung der Prozessierungsparameter verschiedener Festelektrolyte. Hierbei stehen Verfahren zum Verdichten der einzelnen Materialien und das Zusammenfügen der verschiedenen Schichten im Vordergrund. Die Elektrodenschichten von Anode und Kathode bestehen bei klassischen Lithium-Ionen-Batterien aus porösen Kompositen, die nachträglich mit flüssigen Elektrolyten gefüllt werden. In einer Festkörperbatterie hingegen werden feste Elektrolyte und die entsprechenden festen Aktivmaterialien für die positive und negative Elektrode bereits miteinander vermischt und anschließend verdichtet. Beim Zusammenfügen der Schichten ist es wichtig, die Widerstände zwischen ihnen durch Druckbeaufschlagung zu minimieren und die Kontaktflächen zu optimieren. Zusätzlich werden die Betriebsbedingungen der Festkörperbatterien wie zum Beispiel die Temperatur- und Druckbereiche, sowie die Lade- und Entladegeschwindigkeit ermittelt, um einen sicheren Betrieb und eine möglichst hohe Lebensdauer zu ermöglichen. Dazu gehört eine Sicherheitsbewertung der Festkörperbatterien, die vorrangig darauf abzielt, die allgemeinen Sicherheitsrisiken zu bewerten und festzustellen, wie sich Abweichungen von den Betriebsbedingungen auf die Sicherheit der Batterien auswirken könnten.