Batterien der Zukunft

Lithium-Ionen-Akkus sind seit langem die Spitzen­reiter der Batterie­entwicklung. Da der Spielraum für Verbes­se­rungen allerdings immer kleiner wird, suchen Wissen­schaftler nach Alter­nativen. Feststoff­batterien, die ohne Flüssig­keiten auskommen, gelten dabei als besonders attraktiv: 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? Leider noch nicht. Denn dieser Batterietyp bringt eine Reihe von Heraus­forderungen mit sich, die es zu meistern gilt, bevor er in die Massen­produktion gehen kann.

Das Bundes­ministerium für Bildung und Forschung fördert deshalb in der zweiten Phase des Kompetenz­clusters FestBatt mit etwa 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 Forscher der Hochschule Landshut am Technologie­zentrum Energie TZE neue Konzepte für leistungs­fähige und sichere Batterien mit Feststoffen auf Polymer­basis entwickeln.

„Die Batteriezelle eines herkömm­lichen Lithium-Ionen-Akkus besteht aus zwei Elektroden, die über eine Elektrolyt-Flüssigkeit ionisch verbunden sind“, erklärt 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.“

Im Projekt FB2-POLY wollen die Forscher Elektrolyte auf der Basis von Polymeren wie beispiels­weise Kunststoffen optimieren. „Unser Ziel ist es, die Lebensdauer und Leistung von Batterien zu verbessern“, sagt der Forscher. 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 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.

Aus Anwendungs­sicht untersucht das 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 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 Forscher von Anfang an die späteren Bedürfnisse der indus­tri­ellen Entwicklung mit­denken.

HS Landshut / RK

Weitere Infos

• FestBatt – Cluster of Competence for Solid-state Batteries, Justus-Liebig-Universität Gießen
• Technologiezentrum Energie, Hochschule Landshut