Forschung für sichere Feststoffbatterien

Werkstoffe 06. 11. 2021
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Im Projekt ALANO entwickeln Industrie und Wissenschaft innovative Konzepte für Akkus mit Lithiummetall-Anode – Forschende des KIT untersuchen elektrochemische Aspekte

Feststoffbatterien können die Elektromobilität voranbringen. Im neuen anwendungsorientierten Projekt ALANO befassen sich Partner aus Industrie und Forschung unter der Koordination der BMW AG mit Lithiumbatterien der nächsten ­Generation: Lithiummetall als Anodenmaterial und ein fester Elektrolyt ermöglichen, bei hoher Sicherheit die Energiedichte auf Zellebene zu erhöhen und damit die Reichweite von Elektroautos zu verlängern. Das Helmholtz-Institut Ulm (HIU), das vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Universität Ulm gegründet wurde, ist an dem vom Bundesforschungsministerium geförderten Vorhaben beteiligt.

Leicht und leistungsstark, kostengünstig und sicher – Akkumulatoren für Elektroautos müssen verschiedene Anforderungen vereinen. Batterieforschende und Automobilhersteller setzen daher seit einiger Zeit verstärkt auf Feststoffbatterien. Bei dieser Bauform bestehen sowohl beide Elektroden als auch der Elektrolyt aus festen Materialien. Besonders der feste Elektrolyt verspricht ­Vorteile für die Sicherheit: Er ist schwer ­entflammbar und kann nicht auslaufen. Das neue Verbundvorhaben ALANO (Alternative Anodenkonzepte für sichere Feststoffbatterien) befasst sich mit Lithiumbatterien der nächsten Gene­ration und fokussiert sich auf die Lithium­metallanode als zentrale Komponente. Ziel des Projekts ist es, die Energiedichte einer Feststoffbatterie zu erhöhen, und zwar bei hoher Sicherheit.

Höhere ­Energiedichte – ­längere Reichweite

Lithiummetall als Anodenmaterial besitzt das Potenzial, die Energiedichte auf Zellebene ­erheblich zu steigern und damit die Reichweite von Elektroautos deutlich zu verlängern, erklärt Prof. Stefano Passerini, Direktor des an ALANO beteiligten Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) und Leiter der ­Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien am HIU. Im Projekt ALANO evaluieren Partner aus Forschung und Industrie unterschiedliche auf Lithiummetall basierende innovative Anodenkonzepte für Feststoffbatterien, um die Reaktivität, Sicherheit und Leistungsfähigkeit der Anode zu optimieren und diese in einer robusten Zelleinheit mit hoher Energiedichte zu integrieren. Entscheidend ist dabei die Kombina­tion mit einem festen Elektrolyten. Im Gegensatz zu konventionellen Flüssigelektrolyten, die stark mit Lithiummetall reagieren, sind Festelektrolyte weniger reaktiv und ­eröffnen damit die Möglichkeit, kinetisch stabile Grenzflächen auszubilden. Dies wiederum verspricht weitere Vorteile: Erstens wird nach Aussage von Dr. Dominic Bresser, Leiter der Forschungsgruppe Elektrochemische Energiespeichermaterialien am HIU, die Sicherheit wesentlich verbessert, da die Zellen keine flüssigen und leicht brennbaren Bestandteile enthielten. Zweitens erhöhe sich die Robust­heit der Zellen, wodurch Handhabung, Kühlung und Systemintegration leichter würden. So lassen sich die Kosten auf Zell-, Modul- und Systemebene senken. Zugleich steigt die Lebensdauer der Zellen, was zur Nachhaltigkeit beiträgt.

Forschung und Entwicklung entlang der gesamten Wertschöpfungskette

Das Projekt ALANO deckt die gesamte Wertschöpfungskette von Feststoffbatterien mit Lithiummetall als Anodenmaterial ab: von der Auswahl der Materialien über die Herstellung der Komponenten, die Verarbeitung zu Zellen, die Skalierung der Batterien für den Einsatz in Fahrzeugen und andere Anwendungen bis hin zum Recycling. Die Integration in die Kreislaufwirtschaft ist also ebenfalls berücksichtigt. Im Projekt ALANO arbeiten Partner aus Industrie und Forschung branchen- und disziplinübergreifend zusammen.

Koordinator des Konsortiums ist die BMW AG. Zu den weiteren Industriepartnern gehören die Applied Materials GmbH, Arlanxeo GmbH, Daikin Chemical Europe GmbH, Rena Technologies GmbH und Varta Microbattery GmbH. Als Partner aus der Forschung sind neben dem HIU das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, das Forschungszentrum Jülich (FZJ), das Batterieforschungszentrum Münster Electrochemical Energy Technology (MEET) der Universität Münster, das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und die Universität ­Gießen beteiligt. Als assoziierter Partner wirkt die BASF SE mit. ALANO startet im September 2021; das Projekt ist auf drei Jahre angelegt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert ALANO im Bereich Batterie 2020 Transfer.

Text zum Titelbild: Ein fester Elektrolyt hilft dabei, die Reaktivität, Sicherheit und Leistungsfähigkeit von Feststoffbatterien zu optimieren (Foto: Xilai Xue/KIT)

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