Schnellere Produktion von Festkörperbatterien

Sei es in E-Fahrrädern, Elektroautos oder Laptops – üblicherweise nutzt man für die nötige Energie­versorgung Lithium-Ionen-Batterien. Festkörper­batterien punkten diesen gegenüber mit gewichtigen Vorteilen: Vor allem bieten sie eine höhere Sicherheit. Schließlich haben sie keinen flüssigen Elektrolyten, der auslaufen und sich entzünden kann. Auch ist ihre Energiedichte höher, die Lebensdauer länger. Das Manko: Bisher wurden Festkörper­batterien mit einer Elektrolyt-Schicht aus Keramik nur im Labormaßstab gefertigt. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Produktions­technik und Automatisierung IPA haben nun im Projekt „Erforschung neuer Misch- und Sintertechnologien für gradierte keramische Festkörperelektrolyte“, kurz EMSiG, die Grundlagen gelegt, um die Festkörper-Lithium-Ionen­batterien industrienah weiter­zuentwickeln.

Das Projekt wurde gemeinsam mit den mittelständischen Unternehmen Dr. Fritsch Sonder­maschinen und Dr. Fritsch durchgeführt und vom Land Baden-Württemberg mit mehr als einer Million Euro gefördert. „Wir konnten die Produktion der Festkörperbatterien vom Labormaßstab auf ein industrie­nahes, skalierbares Level heben“, sagt Jonas Heldt vom Fraunhofer IPA. Doch sollen Festkörper­batterien den Sprung in die industrielle Anwendung schaffen, braucht es zunächst einmal ausreichend Rohstoffe. Doch die benötigten Ausgangs­materialien – etwa der im Projekt eingesetzte Festkörper­elektrolyt Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP) – werden bislang industriell nicht verwendet und daher auch nicht in größeren Mengen produziert. 

Der Projektpartner analysierte die Marktlage: Wo lassen sich die nötigen Rohstoffe beziehen, wie müssen sie aufbereitet werden? „Die Heraus­forderung ist hier nicht die Verfügbarkeit der einzelnen Rohstoffe an sich, sondern die noch relativ geringe Anzahl von Herstellern, die daraus das Festkörperelektrolyt LATP fertigen. Erfahrungs­gemäß wird diese aber mit der Nachfrage nach dem Endprodukt schnell wachsen“, sagt Elke Ade, Leiterin Geschäfts­bereich Metallpulver beim Unternehmen Dr. Fritsch.

Neben einer gesicherten Rohstofflage sind industrienahe Produktions­prozesse gefragt, die sich auf einen größeren Durchsatz hochskalieren lassen. Klassischer­weise beschichtet man Folien, damit sie als Anode, Kathode und neutrale Zwischenschicht dienen, und setzt diese zur Batterie zusammen. Bei Keramiken dient dagegen Pulver als Ausgangs­material. Um dieses in eine feste Form zu bringen, muss es gesintert werden. Dazu untersuchte das Team verschiedene Verfahren. Am vielver­sprechendsten war es, die Pulver trocken in einer Form aufeinander­zuschichten. 

Dabei brachte das Team neben Kathoden-, Anoden- und Elektrolyt­schicht Zwischenschichten ein, um den Elektrolytanteil nicht allzu abrupt ansteigen zu lassen. Diese graduellen Übergänge verringern mechanische Spannungen und verbessern Übergangs­widerstände in der gesinterten Batterie. Die gefüllte Form wurde in eine Sinterpresse eingelegt, genauer gesagt einer FAST/SPS-Sinterung unterzogen: Dabei werden die Materialien unter hohem Druck und vergleichsweise niedrigen Temperaturen mit einem Stempel zusammen­gedrückt. Statt Stunden, die bei herkömmlichen Sinterverfahren nötig wären, dauert dies nur wenige Minuten. 

„Über dieses Verfahren lassen sich mehrere gradierte Schichten von Kathode und Separator in einem einzelnen Herstellungsschritt produzieren“, fasst Heldt zusammen, „was den Arbeitsaufwand erheblich reduziert und eine spätere Skalierung zu größeren Durchsätzen erlaubt.“ Die Basis für eine industrielle Produktion der Festkörperbatterien ist also gelegt.

Fh.-IPA / JOL