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Glas-Separatoren für Li-Ionen-Batterien

Sichere High-Tech-Batterien für Elektroautos

26. Februar 2021, 08:05 Uhr   |  Irina Hübner

Sichere High-Tech-Batterien für Elektroautos
© UBT/Uli Schadeck

Der an der Universität Bayreuth entwickelte Glas-Separator für Lithium-Ionen-Batterien. Für einen großtechnischen Einsatz muss die Dicke nochmals deutlich gesenkt werden.

Die Betriebssicherheit von Lithium-Ionen-Batterien hängt entscheidend von Separatoren ab, die für eine räumliche Trennung der Elektroden sorgen. In einem Verbundprojekt wird die Universität Bayreuth gemeinsam mit mehreren Industriepartnern neuartige Separatoren aus Glas entwickeln.

Das Verbundprojekt »Glas-Separatoren für Lithium-Ionen-Batterien (GlasSeLIB)« zielt darauf ab, die Sicherheit von High-Tech-Batterien weiter zu erhöhen und zugleich ihre Lebensdauer zu verlängern. Es startet am 1. März und wird von der Bayerischen Forschungsstiftung in den nächsten drei Jahren mit mehr als 375.000 Euro gefördert.

Bei den angestrebten neuen Separatoren handelt es sich um filigrane Glasmembranen. Im Unterschied zu bisherigen Separatoren sollen sie eine hervorragende Temperaturbeständigkeit bis mindestens 500 °C besitzen. Mit ihrer Hilfe wird es möglich sein, die Betriebssicherheit von Batterien in Elektrofahrzeugen, Laptops, Smartphones und zahlreichen anderen High-Tech-Anwendungen weiter zu erhöhen. Zugleich sollen die neuen Separatoren die Alterung der Batteriezellen verlangsamen.

Glaszusammensetzung mit hoher chemischer Aktivität

Hierfür muss eine spezielle Glaszusammensetzung entwickelt werden, die sich durch eine hohe chemische Aktivität auszeichnet. Allerdings sind diese Vorteile nur gegeben, wenn es gelingt, besonders dünne Membranen von unter 20 µm herzustellen. Das ist eine fertigungstechnische Herausforderung, die jedoch zwingend erforderlich ist, um zu gewährleisten, dass die Betriebssicherheit von Batterien steigt oder zumindest erhalten bleibt, falls die Batterieleistungsfähigkeit – beispielsweise die Speicherkapazität – künftig signifikant höher wird.

Um sicherzugehen, dass die in Bayreuth entwickelten Glasmembranen die an sie gestellten Anforderungen auch tatsächlich erfüllen, werden sie in den Laboratorien der Industriepartner Varta und Tesla getestet. »Die enge Zusammenarbeit im Verbundprojekt ist darauf ausgerichtet, dass wir in drei Jahren über neuartige Separatoren verfügen, die einen betriebssicheren Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in der High-Tech-Elektronik gewährleisten«, sagt Projektleiter Prof Dr.-Ing. Thorsten Gerdes vom Keylab Glastechnologie.

Bislang werden in der Regel mikroporöse Polymerfolien als Separatoren in Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Sie werden bei einer Überhitzung der Zelle rasch instabil. Zudem ist ihre ionische Leitfähigkeit im Elektrolyten gering. Um die Nutzungszeiten tragbarer Endgeräte weiter zu verlängern oder die Reichweiten von Elektrofahrzeugen zu vergrößern, sehen sich die Hersteller von Batteriezellen heute gezwungen, den Anteil chemisch aktiver Materialien zu erhöhen und den Anteil chemisch passiver Materialien zu verringern. Dies aber ist problematisch, falls es sich – wie bei den Polymerfolien – um sicherheitsrelevante Materialien handelt. Die daraus entstehenden Risiken lassen sich jedoch von vornherein vermeiden, wenn dünne Glasmembranen die Polymerfolien ersetzen.

Koordinator des Verbundprojekts ist das KeyLab Glastechnologie der Universität Bayreuth, das am Lehrstuhl Keramische Werkstoffe angesiedelt ist. Forschungspartner sind der Lehrstuhl für Werkstoffverfahrenstechnik an der Universität Bayreuth sowie vier Unternehmen: Füller Glastechnologie, die Vitrulan Glass Textile, Varta Microbattery und Tesla Germany am Standort München. Die Forschungsarbeiten werden in enger Kooperation mit dem Bayerischen Zentrum für Batterietechnik (BayBatt) durchgeführt, einer zentralen wissenschaftlichen Einrichtung der Universität Bayreuth.

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