Forschung vom Fraunhofer ISC und Empa Festkörperbatterien für künftige Elektrofahrzeuge

Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC und Empa arbeiten gemeinsam an künftigen Festkörperbatterien – hier in einer Glove-Box.
Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC und Empa arbeiten gemeinsam an künftigen Festkörperbatterien – hier in einer Glove-Box.

Im Rahmen eines dreijährigen Forschungsprojekts arbeiten das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC und Empa gemeinsam an der nächsten Batterie-Generation für E-Autos. Die Batteriezellen sollen dabei aus Feststoffen bestehen und keine brennbaren flüssigen Elektrolyte mehr enthalten.

Die Weiterentwicklung der Batterien zu Festkörperbatterien bietet aus Sicht des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC eine große Chance, eine der Schlüsseltechnologien der Elektromobilität nach Europa zu holen.

Die Kooperation zwischen Empa und dem Fraunhofer ISC hat das Ziel, technologische Barrieren für eine industrielle Fertigung der Festkörperbatteriezellen zu beseitigen. Die Batteriezellen kommen ohne brennbare flüssige Elektrolyte aus und erreichen damit eine deutlich verbesserte Betriebssicherheit – neben den Vorteilen hinsichtlich Baugröße und Gewicht. Darüber hinaus ermöglichen Festkörperbatterien durch den Einsatz von metallischem Anodenmaterial (Lithium) sowohl eine höhere Energiedichte als auch deutlich kürzere Ladezeiten. Während die einzelnen Komponenten (Anode, Kathode und Elektrolyt) im Labor bereits gut untersucht sind, besteht aktuell die größte Herausforderung darin, ein stabiles Gesamtsystem zu entwickeln.

Das Projekt »Interface Engineering for Safe and Sustainable High-Performance Batteries« (IE4B) startete am 1. Januar 2019 und läuft für drei Jahre im Rahmen der Fraunhofer-Förderlinie »International Cooperation and Networking« (ICON).

Bei Empa liegen die Schwerpunkte in der Entwicklung von Festkörperelektrolyten, Herstellung und Charakterisierung von dünnen Schichten mit maßgeschneiderten elektronischen Eigenschaften sowie in der Entwicklung nanostrukturierter Anodenmaterialien.

Das Fraunhofer ISC mit dem »Fraunhofer Forschungs- und Entwicklungszentrum Elektromobilität Bayern« arbeitet an Lithium-leitenden Polymeren sowie an der Entwicklung von Schutzschichten aus Sol-Gel-Materialien. Darüber hinaus entwickelt, fertigt und testet das Institut Prototypen und Kleinserien von Batteriezellen.

Zweistufiger Projekt-Ansatz

Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Festkörperbatterie, die einen stabilen Lade- und Entladezyklus bei Raumtemperatur ermöglicht und sich zugleich zügig aufladen lässt.

Das Projekt ist in zwei Phasen unterteilt:

  • Phase 1: Die an den Grenzflächen ablaufenden Prozesse zwischen Kathode, Festkörperelektrolyt und Anode analysieren und kontrollieren.
  • Phase 2: Funktionsfähige Festkörperzelle herstellen und in einer Kleinserie produzieren.

Der zweistufige Ansatz bietet die Vorteile, dass mit dem Modellsystem in Phase 1 der Aufbau der Dünnschichtzellen einfacher zu analysieren ist. Der komplexe dreidimensionale Aufbau größerer Batteriezellen wird dadurch in Phase 2 wesentlich erleichtert.