Seit langer Zeit sind Lithium-Ionen-Akkus die Spitzenreiter in der Batterieentwicklung. Da der Spielraum für Verbesserungen allerdings immer kleiner wird, forschen Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen nach Alternativen. Feststoffbatterien, die ohne Flüssigkeiten auskommen, gelten vielen als Allheilmittel: Sie sind sicherer, da sie nicht auslaufen können und nicht entzündlich sind. Sie speichern mehr Energie, sie lassen sich schneller laden und bieten erhöhte Sicherheit. All das macht sie vor allem für Elektroautos attraktiv, denen nach wir vor das Manko langer Ladezeiten und kurzer Reichweiten anhaftet. Aber halten die neuen Super-Batterien, was sie versprechen? Die Antwort lautet: noch nicht. Denn dieser Batterietyp bringt eine Reihe von Herausforderungen mit sich, die es zu meistern gilt, bevor er in die Massenproduktion gehen kann.
Hier fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in der zweiten Phase des Kompetenzclusters FestBatt mit rund 23 Millionen Euro verschiedene Projekte zur erfolgreichen Bewältigung dieser Fragestellungen. Das Projekt FB2-POLY wurde als eines der Projekte ausgewählt, die in den nächsten drei Jahren vom BMBF gefördert werden. Gemeinsam mit dem Helmholtz-Institut Münster, dem Helmholtz-Institut Ulm und dem Karlsruher Institut für Technologie wollen die Landshuter Forschenden am Technologiezentrum Energie (TZE) neue Konzepte für leistungsfähige und sichere Batterien mit Feststoffen auf Polymerbasis entwickeln.
Noch keine ideale Lösung gefunden
„Die Batteriezelle eines herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus besteht aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), die über eine Elektrolyt-Flüssigkeit ionisch verbunden sind“, erklärt Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger, wissenschaftlicher Leiter des TZE. Die positiv geladenen Lithium-Ionen wandern durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode, während die negativ geladenen Elektronen durch einen externen Stromkreis wandern, um die vom Lithium erzeugte positive Ladung auszugleichen.
Der Fluss der Elektronen erzeugt den elektrischen Strom. In Feststoffbatterien wird die Elektrolyt-Flüssigkeit durch feste Materialien ersetzt. „Bis jetzt haben wir allerdings noch keine perfekte Lösung dafür gefunden“, so Pettinger, „denn viele feste Stoffe hemmen den Stromfluss.“
Entwicklung von neuen Zelldesigns
Im Projekt FB2-POLY wollen die Forschenden daher Elektrolyte auf der Basis von Polymeren wie beispielsweise Kunststoffen optimieren. „Unser Ziel ist es, die Lebensdauer und Leistung von Batterien zu verbessern“, sagt der Landshuter Professor. Die Hochschule Landshut übernimmt dabei unter anderem die Entwicklung einer lithiumfreien Anode, basierend auf der Technik des Elektrospinnings. Hierbei bildet sich die Lithium-Anode erst während des Aufladens ausgehend von dem Lithium aus der Kathode und löst sich beim Entladen wieder auf. Das Team um Projektkoordinator Dr. Jonathan Florez-Montano, Hans-Konrad-Weber und Caterina Bellatreccia will damit die theoretisch maximale Energiedichte ausnutzen. Außerdem werden durch die Verwendung einer lithiumfreien Anode die Produktionskosten für Batterien erheblich gesenkt, da die Verarbeitung von metallischem Lithium komplexe Prozesse erfordert.
Technologieführer im Batteriebereich
Aus Anwendungssicht untersucht das Landshuter Team die Möglichkeit, die Laminierungstechnik für den Aufbau und die Verbindung von Festkörperbatterien mit einem Polymer als Elektrolyt zu nutzen, mit dem Ziel, dieses Verfahren in die Großproduktion zu überführen. Am Ende des Projekts wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Kompetenzclusters Materialien bereitstellen, die Deutschland befähigen, in Zukunft führend im Bereich der Batteriespeicher zu werden. Im Austausch mit der Industrie entwickeln sie Strategien, die im Rahmen einer Pilotfertigung angewendet werden sollen. Dabei wollen die Forschenden gleich von Anfang an die späteren Bedürfnisse der industriellen Entwicklung mitdenken.