Festkörperbatterien: Wie Keramik die Stromspeicher revolutioniert

„Feststoff-Batterien haben das Potenzial, die bisherige Batterietechnik abzulösen“, ist Carsten Glanz überzeugt. Der Gruppenleiter für Applikationstechnik funktionaler Materialien am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA will zusammen mit einem Team von Wissenschaftlern und zwei mittelständischen Unternehmen aus Baden-Württemberg die Voraussetzungen schaffen für die automatisierte Fertigung hochwertiger Stromspeicher. Verglichen mit den heute gängigen Lithium-Ionen-Batterien, haben Festkörperbatterien mehrere Vorteile: Die Sicherheit ist höher – weil kein flüssiger Elektrolyt benötigt wird, kann nichts auslaufen und sich entzünden. Hinzu kommen eine höhere Energiedichte und eine längere Lebensdauer.

Technik der Festkörperbatterien steht noch ganz am Anfang

Noch steckt die Technik in den Kinderschuhen. „Festkörperbatterien mit einer Elektrolyt-Schicht aus Keramik beispielsweise wurden bisher nur im Labormaßstab gefertigt. Die Skalierbarkeit – also die Übertragung der Ergebnisse auf eine Produktion im großen Maßstab – ist noch völlig ungeklärt“, erklärt Glanz. Im Projekt „Erforschung neuer Misch- und Sintertechnologien für gradierte keramische Festkörperelektrolyte“, kurz Emsig, will der Ingenieur jetzt zusammen mit zwei Industriepartnern eine Prozesskette für die großtechnische Herstellung von Batterien mit keramischen Festkörperelektrolyten entwickeln und optimieren: „Wir haben am IPA durch das Zentrum für digitale Batterieproduktion viel Erfahrung mit der Automatisierung in der Batterie-Fertigung, und unsere Kooperationspartner verfügen über ein fundiertes Know-how, was die Herstellung und Funktionalisierung, das Handling und das Sintern von Pulvern betrifft.“ Dr. Fritsch wird im Rahmen des Projekts das keramische Ausgangspulver bereitstellen und modifizieren, das für die Herstellung keramischer Elektrolyte benötigt wird. „Hier können wir maßgeschneiderte Materialien erzeugen und zu analysieren“, sagt Ute Wilkinson, Geschäftsführerin bei Dr. Fritsch.

Der zweite Partner ist die Dr. Fritsch Sondermaschinen, ein Hersteller von Maschinen zum Mischen, Dosieren und Sinterpressen von Pulvern. Das Unternehmen hat eine lange Tradition beim innovativen Handling von Pulvern und in der Sintertechnik. So können neue Produktionsmethoden sofort in die benötigten Maschinen umgesetzt werden. Im Mittelpunkt des Produktionsprozesses wird dabei die Weiterentwicklung innovativer FAST-/SPS-Sinteranlagen stehen. Weltweit sind über 1000 Sinteranlagen des Herstellers installiert.

Sanfter Übergang statt starrer Grenzen

Eine besondere Herausforderung bei der Fertigung von Feststoffbatterien sind die Material-Übergänge: Scharfe Grenzen zwischen den einzelnen Schichten der Batterie können zu einer schlechten Ionenleitung führen. Durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen kann es sogar zum Bruch entlang der Grenzschichten kommen. Die Lösung: fließende Grenzen. „Wir wissen aus Laborversuchen, dass sich die Spannungen durch graduelle Übergänge zwischen dem keramischen Festkörperelektrolyten und den Elektroden verhindern lassen“, berichtet Glanz. „Ungeklärt war bisher jedoch, wie sich diese spannungsverringernden Übergänge prozesstechnisch realisieren lassen.“

Ziel des Emsig-Projekts ist es, eine Demonstrator-Anlage zu bauen, in der Feststoffbatterien aus nur hauchdünnen, homogenen Pulverschichten Lage für Lage aufgebaut und gesintert werden, wobei sich die Zusammensetzung des Pulvers mit jeder Schicht verändert: Am Übergang zwischen Elektrode und Elektrolyt beispielsweise wird sukzessive mehr Keramikpulver beigemischt – 25, 50, 75 und schließlich 100 Prozent.

In zwei Jahren soll der gesamte Produktionsprozess soweit ausgereift sein, dass er von der Industrie für die Batterieherstellung im großen Maßstab genutzt werden kann.

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