Batterieforschung Festkörperbatterien können jetzt viel schneller gefertigt werden

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Festkörperbatterien haben Vorteile im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus. Sie sind etwa nicht brennbar. Doch die wirtschaftliche Massenfertigung klappte bisher nicht so gut. Das kann sich jetzt ändern ...

Sei es in E-Fahrrädern, Elektroautos oder Laptops – üblicherweise nutzt man für die nötige Energieversorgung Lithium-Ionen-Batterien, heißt es. Festkörperbatterien punkten aber mit gewichtigen Vorteilen. Vor allem sind sie sicherer. Schließlich funktionieren sie ohne flüssigen Elektrolyten, der auslaufen und sich entzünden kann. Auch sind ihre Energiedichte und die Lebensdauer länger. Das Manko aber ward, dass Festkörperbatterien mit einer Elektrolyt-Schicht aus Keramik bisher nur im Labormaßstab gefertigt werden konnten. Eine skalierbare Produktionsmethode für Festkörperbatterien haben aber nun Forscher des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) aus Stuttgart mit Partnern entwickelt. Das geschah im Rahmen des kürzlich abgeschlossenen Projekts „Erforschung neuer Misch- und Sintertechnologien für gradierte keramische Festkörperelektrolyte“ – kurz „EMSiG“ – entwickelt, wie es heißt.

LATP heißt der noch schwer zu beschaffende Rohstoff

Sollen Festkörperbatterien den Sprung in die industrielle Anwendung schaffen, braucht es zunächst einmal ausreichend Rohstoffe dafür. Doch die benötigten Ausgangsmaterialien – etwa der im Projekt eingesetzte Festkörperelektrolyt Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP) – werden bisher industriell nicht verwendet und sind deshalb auch nicht in größeren Mengen zu haben. Der Projektpartner Dr. Fritsch GmbH & Co. KG analysierte die Marktlage, um folgende Fragen zu beantworten: Wo lassen sich die nötigen Rohstoffe beziehen, wie müssen sie aufbereitet werden? Die Herausforderung sei aber 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, wie der Projektpartner anmerkt. Außer einer gesicherten Rohstofflage sind noch industrienahe Produktionsprozesse gefragt, die sich auf einen größeren Durchsatz hochskalieren lassen ...

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Pulversintern geschieht in wenigen Minuten statt Stunden

Klassischerweise beschichtet man nach Erfahrung der IPA-Forscher Folien, damit sie als Anode, Kathode und neutrale Zwischenschicht fungieren können. Diese setzt man dann zur Batterie zusammen. Bei Keramiken dient allerdings Pulver als Ausgangsmaterial. Um das aber in eine feste Form zu bringen, muss es zunächst gesintert werden – also unter Druck erhitzt. Dazu untersuchte das Team verschiedene Verfahren. Am vielversprechendsten scheint es, die Pulver trocken in einer Form aufeinanderzuschichten. Dabei brachten die Experten außer Kathoden-, Anoden- und Elektrolytschicht Zwischenschichten ein, um den Elektrolytanteil nicht allzu abrupt ansteigen zu lassen, wie man erklärt. Diese graduellen Übergänge verringern mechanische Spannungen und verbessern Übergangswiderstände in der gesinterten Batterie, heißt es weiter. Die so gefüllte Form legt man in eine Sinterpresse – genauer gesagt, wird das Ganze einer FAST/SPS-Sinterung unterzogen. Dabei werden die Materialien unter hohem Druck und vergleichsweise niedrigen Temperaturen per Stempel zusammengedrückt. Statt Stunden, die bei herkömmlichen Sinterverfahren nötig wären, dauert dieser Prozess nur wenige Minuten, wie das IPA betont. Über dieses Verfahren ließen sich mehrere gradierte Schichten von Kathode und Separator in einem einzelnen Herstellungsschritt produzieren, was den Arbeitsaufwand erheblich reduziere und eine spätere Skalierung zu größeren Durchsätzen erlaube. Die Basis für eine industrielle Produktion der Festkörperbatterien ist nach Ansicht der Forscher also gelegt.

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