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Wenn maximale Leistung mit Sicherheit gepaart sein muss ...

Doch außer die Forderung nach höherer intrinsischer Sicherheit treibe vor allem die höhere Energiedichte das Interesse an Festkörperbatterien an. Lithium-Metall-Anoden mit einer spezifischen Kapazität von 3.860 mAh g⁻¹ übertreffen etwa Anoden aus Graphit um ein Vielfaches. In Kombination mit dünnen, aber festen Elektrolyten lassen sich so Reichweiten- und Gewichtsvorteile erreichen – ein entscheidender Faktor für einen Push der Elektromobilität und für die Luftfahrt. Erste Anwendungsfelder entstehen deshalb dort, wo maximale Sicherheit und Leistung entscheidend sind. Das sind eben Luft- und Raumfahrt, der Motorsport, die Medizintechnik oder der Bereich Hochsicherheits-Datenspeicher. Hier rechtfertige etwa die höhere Energiedichte die komplexe Fertigung. Für den Massenmarkt bleibt die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit aber zunächst begrenzt, müssend die Forscher zugeben. Die Produktionsinfrastruktur ist erst im Aufbau. Und etablierte Lithium-Ionen-Systeme entwickelten sich parallel einfach weiter. Festkörperbatterien werden deshalb auf absehbare Zeit parallel zu konventionellen Lithium-Ionen-Zellen existieren und vor allem besonders anspruchsvolle Anwendungen bedienen. In Sachen Automobilindustrie könnten sie immerhin den Markt der Oberklasse-Fahrzeuge verändern.

Festkörperbatterie-Technik fordert die Fertigung heraus

So vielversprechend die Potenziale der Festkörperbatterie seien, so hoch ragten aber auch die Hürden bei der industriellen Umsetzung auf. Besonders der Umgang mit Lithium-Metall-Anoden stellt ist laut ILT nicht trivial. Denn das Material ist zwar wegen seiner sehr hohen spezifischen Kapazität attraktiv, erweist sich in der Verarbeitung jedoch als extrem empfindlich. Es reagiert nämlich stark mit Sauerstoff und Feuchtigkeit. Dabei bildet es leicht Passivschichten und bei mechanischer Belastung kann es sich entzünden, erklären die Forscher dazu. Von konventionellen Schneid- oder Walzverfahren ist deshalb abzuraten. Und auch auf der Seite der Festelektrolyte treten grundlegende Schwierigkeiten auf. Sie betreffen oxidkeramische Materialien, wie Lithium-Lanthan-Zirkonat (LLZO), die bei rund 1.200 °C gesintert werden müssen. Dabei kommt es aber häufig zu Lithiumverlusten und Nebenphasen, welche die Ionenleitfähigkeit herabsetzen. Diese Verluste sind dabei nicht nur ein technologisches, sondern auch ein wirtschaftliches Problem, weil sie teure Rohstoffe unbrauchbar machen. Mit sogenannten Opferpulvern ließen sich diese Effekte zwar teilweise kompensieren, der Prozess bleibe aber dennoch komplex und empfindlich, wenn es um kleinste Schwankungen gehe. Ein weiteres Nadelöhr durch das der Durchbruch der Festkörperbatterie zäher gemacht wird, ist die Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Anode ...

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Die Gefahr von Rohstoffverlusten ist derzeit noch hoch

Hohe Übergangswiderstände mindern in puncto Grenzfläche die Leistungsfähigkeit der Batterie und erhöhen die Gefahr von Inhomogenitäten beim sogenannten Lithium-Plating und -Stripping. Aber nur wer diese Grenzflächenchemie beherrsche, könne die Basis für stabile und langlebige Festkörperzellen schaffen. außer diesen materialspezifischen Aspekten stellen auch die Produktionsbedingungen an sich eine große Herausforderung dar. Denn Festkörperbatterien erfordern, wie eingangs schon erwähnt, durchweg Inertgas- oder Trockenraumatmosphären, die, wie gesagt, hohe Investitionen in die Infrastruktur bedeuten. Erste Analysen zeigten, dass im industriellen Hochlauf Ausschussraten von bis zu 30 Prozent auftreten könnten, was Verluste in Millionenhöhe (pro Tag!) nach sich zöge. Und schon bei etablierten Lithium-Ionen-Linien ist die hohe Ausschussrate ein akutes Problem, heißt es weiter. Bei Festkörperzellen verstärke sich dieses Problem, weil für die noch nicht standardisierten Materialien bis dato keine geschlossenen Recyclingpfade vorlägen. Jeder defekte Prototyp bedeute daher nicht nur ökonomischen Schaden, sondern auch den Verlust von wertvollen Rohstoffen. Laserbasierte Verfahren können aber dazu beitragen, die Prozessstabilität zu erhöhen und Ausschuss von vornherein zu vermeiden, wie die Aachener Forscher betonen.

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