Das „Horizon 2020“-Konsortium „SOLiDIFY“ aus 14 europäischen Partnern – darunter dem deutschen Fraunhofer-Institut für Silikate-Forschung (ISC) in Würzburg – hat eine leistungsstarke Feststoff-Batterie entwickelt. Der Prototyp wurde im hochmodernen Batterielabor von EnergyVille in Belgien hergestellt und verfügt über einen einzigartigen Flüssig-Fest-Elektrolyten, der gemeinsam von dem belgischen Halbleiter-Spezialisten imec, der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) sowie den in Toulouse beheimateten Speicher-Spezialisten von Solvionic Energy entwickelt wurde. Die Batterie weist eine Energiedichte von 1070 Wattstunden pro Liter (Wh/L) auf und liegt damit deutlich über den 800 Wh/L heutiger Lithium-Ionen-Akkus. Das Herstellungsverfahren ist zudem kostengünstig und lässt sich an bestehende Produktionslinien für Lithium-Ionen-Batterien anpassen. Dies ebnet den Weg für eine kommerzielle Herstellung von Feststoffbatterien für Elektroautos schon in wenigen Jahren.
Toyota will schon 2027 eine Feststoff-Batterie zum Einsatz bringen. In zehn Minuten soll der Akku Strom für 1000 Kilometer Reichweite aufnehmen können. Auch andere Autohersteller arbeiten an dem neuen Stromspeicher, Volkswagen hat sich dazu mit Quantumscape zusammengetan, Mercedes sich US-Feststoffspezialisten Factorial Energy beteiligt. Foto: Toyota
Der Notwendigkeit, CO₂-Emissionen zu reduzieren und den Klimawandel zu bekämpfen, hat zu einem starken Anstieg bei der Produktion von Elektrofahrzeugen geführt. Das Wunsch nach größerer Reichweite und kürzeren Ladezeiten macht jedoch deutlich, dass weiterhin Bedarf an besseren Hochleistungsbatterien besteht. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass diese Batterien günstig sind, machen sie doch derzeit fast die Hälfte des Preises eines Elektrofahrzeugs aus. Daher spielen die in diesen Batterien verwendeten Materialien eine Schlüsselrolle.
Energiedichte von 1070 Wattstunden pro Liter
Hier kommen Feststoffbatterien ins Spiel. Anstelle des flüssigen Elektrolyten, der in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz kommt, nutzen die Akkus ein festes Elektrolytmaterial, durch das die Lithium-Ionen zum Laden und Entladen fließen. Dies bietet Vorteile wie eine höhere Energiedichte und eine geringere Brandgefahr. Auf der Materialebene ergibt sich die höhere Energiedichte der Zelle aus der Einführung einer dünnen Lithium-Metall-Anode zusammen mit einem ausreichend dünnen Festelektrolyt-Separator. Die Entwicklung einer kosteneffizienten Architektur für die Massenproduktion dieser Zellen ist jedoch nach wie vor schwer zu erreichen.
Nun hat das Konsortium im Rahmen des SOLiDIFY-Projekts den Prototyp einer Hochleistungs-Lithium-Metall-Batterie mit einem festen Elektrolyten entwickelt. Die Pouch-Zelle, die im hochmodernen Batterielabor von EnergyVille in Genk hergestellt wurde, erreicht eine Energiedichte von 1070 Wattstunden pro Liter (Wh/L). Das ist deutlich mehr als die rund 800 Wh/L, die heutige Lithium-Ionen-Zellen erreichen.
Preis von etwa 150 Euro pro Kilowattstunde
Die hohe Energiedichte wurde durch die Kombination einer dicken Kathode mit hoher Energiedichte (NMC, Nickel-Mangan-Kobalt enthält) erreicht, die von einer dünnen Lithium-Metall-Anode durch einen dünnen Festelektrolyt-Separator getrennt ist. Mit einem Herstellungsprozess, der bei Raumtemperatur durchführbar ist und sich an aktuelle Produktionslinien für Lithium-Ionen-Batterien anpassen lässt, sollen Preise um 150 Euro pro Kilowattstunde Speicherkapazität darstellbar sein.
Dieser Erfolg wurde durch die sorgfältige Evaluierung und Optimierung neuer Materialien und fortschrittlicher Beschichtungstechnologien erreicht. Für den Elektrolyten des Prototyps wurde ein polymerisiertes, auf einer ionischen Flüssigkeit basierendes festes Nanokompositmaterial entwickelt. Dieses ermöglichte einen einzigartigen, von der Empa zum Patent angemeldeten „Flüssig-zu-Fest“-Verfestigungsansatz, mit dem sich ein sehr dünner Separator von 20 Mikrometer (0,00020 Millimeter) herstellen lässt, der aber auch die Verwendung einer dicken Kathode von 100 Mikrometer Dicke und einen kompakten Batteriezellenstapel ermöglicht.
Zudem gelang es dem Konsortium, die Herausforderungen in Bezug auf die mechanische Festigkeit und die Kathodenimprägnierung zu überwinden, sowie die Ladezeit der Zelle auf drei Stunden und ihre Lebensdauer auf 100 Zyklen zu erhöhen. Im Vergleich zu anderen Feststoffbatterien wies die thermisch stabile Zelle zudem eine geringere Entflammbarkeit auf, was die Sicherheit erhöht. Die Anwendung von nanometerdünnen Schutzschichten ermöglicht die Verwendung von kobaltarmen NMC-Kathoden, die die Umweltbelastung verringern und gleichzeitig eine höhere Kapazität bieten. Zu den nächsten Schritten gehört die weitere Hochskalierung dieser Hochleistungsbatterie-Technologie. Angepeilt wird eine Serienfertigung schon 2026.