Als relativ neuer Ansatz der Batterieforschung ist die Festkörpertechnologie stark diskutiert, da sie Zellen mit höherer Energiedichte verspricht. Dies verringert CO₂-Emissionen und bringt Kostenvorteile, während die Produktion und Zusammensetzung mit Risiken verbunden sind. Deshalb kooperierten Mitarbeitende des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT und der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB mit dem Ziel, die Herausforderungen in der Entwicklung von Festkörperbatterien zu beleuchten. Ergebnis ist die nun vorliegende Technologiestudie »Red Brick Walls der All-Solid-State-Technologie«. Sogenannte Red Brick Walls – zu Deutsch »rote Backsteinmauern«- sind in diesem Zusammenhang technologische Hindernisse, die nach aktuellem Wissensstand noch nicht überwunden werden können.

Zur ersten Bestandsaufnahme wurde ein interner Workshop der Fraunhofer FFB durchgeführt, in dem die Teilnehmenden einen Interviewleitfaden für die anschließende breitere Befragung entwickelten. Dabei ließen sich die Herausforderungen im Leitfaden in drei Kategorien teilen: (1) übergreifend, (2) produktbezogen und (3) produktionsbezogen. Die produktbezogenen Hürden innerhalb der Batteriezelle lassen sich auf ihre einzelnen Bestandteile herunterbrechen. Hier werden die Grenzflächen von Anode, Elektrolyt und Kathode von vielen Experten als besonders kritisch angesehen.

Hingegen stehen die produktionsbezogenen Red Brick Walls insbesondere im Bereich der Elektroden- und Elektrolytfertigung. Diese gilt als besonders kritischer Prozessschritt in der Herstellung von Festkörperbatterien. In diesem Zusammenhang ist vor allem die Prozessierbarkeit von Lithium-Metallanoden und deren langfristige Stabilisierung im Betrieb ein Knackpunkt. Eine weitere Herausforderung: Die Herstellung von Elektroden-Elektrolyt-Verbünden bei einer hohen Produktivität sowie eine mangelnde Kompatibilität zu der bestehenden Anlagentechnik.

Anhand des entwickelten Leitfadens führten die Forschenden insgesamt 25 Interviews mit Expert*innen aus Forschung und Industrie durch. Aus den Interviews ergaben sich mehr als 240 produkt- und produktionsbezogene Herausforderungen. Diese lassen sich 14 Red-Brick-Walls-Kategorien zuordnen, die daraufhin in vertiefenden Befragungen diskutiert wurden. Aus den Ergebnissen wurden erste Handlungsempfehlungen in zwei Stoßrichtungen abgeleitet, die unter den Leitfragen standen:

• Top down – Wie wird die Fraunhofer FFB ein relevanter Akteur im Bereich Festkörperbatterien?
• Bottom-Up – Wie wird die Fraunhofer FFB zur Produktion von Festkörperbatterien befähigt? 

Aus beiden Fragen wurden sowohl eine kurzfristige (für die Jahre 2024-2025) als auch eine langfristige (ab 2027) Handlungsempfehlung abgeleitet. Die Studie konnte der Fraunhofer FFB dabei helfen, einen umfangreichen Überblick über die Hürden der Produktion von Festkörperbatterien zu gewinnen: Die Definition der Red Brick Walls hat es möglich gemacht, Schlüsseltechnologien und Ansatzpunkte aufzuzeigen, die die Industrialisierung von Festkörperbatterien an der Fraunhofer FFB beschleunigen kann. Gleichzeitig wurde deutlich, dass vor allem ein starkes Partnernetzwerk benötigt wird, um schnelle Fortschritte in diesem Gebiet zu erzielen.

[1] Als »red brick walls« werden Herausforderungen eingestuft, die nach aktuellem Wissensstand in einem definierten Zielrahmen nicht oder kaum überwundern werden können. Der Begriff wurde vom Verband deutscher Maschinen- und Anlagenbauer geprägt. Vgl. VDMA Batterieproduktion: »Roadmap Batterie-Produktionsmittel 2030«, Frankfurt am Main: VDMA Verlag 2014.

[2] Vgl. https://www.isi.fraunhofer.de/content/dam/isi/dokumente/cct/2022/SSB_Roadmap.pdf