04.01.2022 (pm)Mehr Sicherheit, größere Speicherkapazitäten, kürzere Ladezeiten – Festkörperbatterien sollen herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien zukünftig in fast allen Leistungsparametern übertreffen. Grundlagen dafür hat das Batterie-Kompetenzcluster FestBatt unter Beteiligung von Forschenden des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) erarbeitet. In einer zweiten Förderphase werden nun komplette Batteriesysteme und Methoden für die Produktion entwickelt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert mit rund 23 Millionen Euro.

Eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie könnte der Elektromobilität schon in wenigen Jahren den entscheidenden Anstoß geben. Davon ist Professor Helmut Ehrenberg, Koordinator der Plattform Charakterisierung im Kompetenzcluster FestBatt vom Institut für Angewandte Materialien (IAM) des KIT überzeugt: „Festkörperbatterien kommen ohne flüssige und brennbare Elektrolyten aus, ihre Chemie ermöglicht höhere Energiedichten sowie kürzere Ladezeiten. Zudem kann auf giftige und seltene Materialien wie Kobalt verzichtet werden.“

Das 2018 gestartete Kompetenzcluster FestBatt entwickelt im Auftrag der Bundesregierung diese Schlüsseltechnologie und startet nun in die zweite Förderphase. Die Arbeiten finden in einem starken internationalen Wettbewerb statt – um Zukunftsmärkte auch für Europa möglichst rasch zu öffnen, hat die Bundesregierung mit FestBatt die Kompetenzen von 17 wissenschaftlichen Einrichtungen gebündelt. Darunter befinden sich Universitäten, Helmholtz-Institute sowie Institute der Fraunhofer-Gesellschaft und der Max-Planck-Gesellschaft, gesamtheitlich werden die Arbeiten durch die Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) koordiniert.

Erste Schritte auf dem Weg zur Massenproduktion
Im Mittelpunkt der neuen Förderphase von FestBatt wird die Entwicklung von Zellkomponenten und ganzen Festkörperbatteriezellen auf der Basis vielversprechender Elektrolyte stehen, außerdem sollen Material- und Prozesstechnologien für deren Produktion entwickelt werden. Bis zu einer Massenproduktion von Festkörperbatterien gilt es allerdings noch eine Reihe von wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen zu lösen.

Die vom KIT koordinierte Plattform Charakterisierung unter Beteiligung der Universität Marburg, dem Forschungszentrum Jülich sowie der JLU wird dabei unter anderem Charakterisierungen von Kontakt- und Grenzflächen mit Röntgen-, Synchrotron und Neutronenstrahlung sowie verschiedener Mikroskopietechniken an komplexen Mehrphasensystemen durchführen. Am KIT wird unter anderem eine Forschungsgruppe die mit besonderen Schutzschichten versehenen Kathodenmaterialien den Partnern innerhalb der Plattform und dann als Referenzmaterial allen anderen an FestBatt beteiligten Verbundprojekten zur vollständigen Charakterisierung zur Verfügung stellen.

Vorsprung durch systematische Charakterisierung
In der ersten Förderphase von FestBatt haben mehr als 100 Forschende in transdisziplinär aufgestellten thematischen Plattformen daran gearbeitet, geeignete Materialien zu identifizieren und unterschiedliche Festelektrolyte zu synthetisieren. Die Plattform Charakterisierung hat die Materialien dabei systematisch untersucht: Dabei konnten die wichtigsten Einflussgrößen bei der Synthese von Festelektrolyten und kritische Materialveränderungen in Kompositen identifiziert werden.

Darauf baut nun die Weiterentwicklung der Feststoffbatterien in der zweiten Förderphase von FestBatt auf. Erst durch die Entwicklung von standardisierten Messprotokollen gelang eine zuverlässige Bestimmung der Leistungskenndaten und eine Einordnung der sehr unterschiedlichen Zellkonzepte, die weltweit mit großer Intensität entwickelt werden.