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Energiedicht von bis zu 1000 Wh/L

TDK stellt neue Akku-Technologie vor

11. Juli 2024, 8:00 Uhr | Engelbert Hopf

Durch die Verwendung eines oxidbasierten Festelektrolyten und von Anoden aus Lithiumlegierungen, ist es Entwicklern von TDK gelungen, die Energiedichte der CeraCharge Gen2 Akkus gegenüber den in Massenproduktion befindlichen CeraCharge um den Faktor 100 auf 1000 Wh/L zu steigern.

TDK hat mit der 2. Generation CeraCharge eine Festkörperbatterie der nächsten Generation vorgestellt, deren Energiedichte mit 1000 Wh/L, etwa um den Faktor 100 höher ist, als die Energiedichte der in Massenproduktion befindlichen CeraCharge von TDK.

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Einen Ersatz für Knopf- und Pouchzellen zu entwickeln, die bislang in tragbaren Geräten zum Einsatz kommen, dass war das Ziel, als TDK daran ging, seine bereits vor Jahren vorgestellte Akku-Technologie CeraCharge weiter zu entwickeln. Mit einer Energiedichte von bis zu 1000 Wh/L ist das nun eindrucksvolle Art und Weise gelungen – bei der in Massenproduktion befindlichen CeraCharge lieft die Energiedichte hingegen nur bei 10 Wh/L. Wie wurde diese Steigerung um den Faktor 100 erreicht?

„Unsere Akkus der Gen1 bestehen ausschließlich aus Materialien auf Oxidbasis“, erläutert Hiroshi Sato, Section Head Energy Units Development Department des Advanced Products Development Center Technology & Intellectual Property HQ bei TDK, „auch der Festelektrolyt selbst besteht in der Gen1 aus einem Oxidmaterial, das gilt auch für die Kathode und die Anode, alle bestehen aus demselben Material“.

Bei der Gen2 verwendet TDK dagegen einen oxidbasierten Festelektrolyten, dazu kommen für die negative Elektrode Lithiumlegierungen mit hoher Kapazität und als aktives Material der positiven Elektrode werden nach Auskunft von Sato, „Oxidkathodenmaterialien mit hoher thermischer Stabilität verwendet“. Da Kathode, Anode und Festelektrolyt gleichzeitig gesintert werden, sind die Kompatibilität der einzelnen Materialien zu diesem Zeitpunkt und die Sinterbedingungen während des Herstellungsprozess sehr wichtig.

Wie Sato erläutert, „stellt die Volumenvergrößerung während dieses Prozesses eine der größten Herausforderungen, insbesondere bei Anoden mit hoher Kapazität dar“. Die entscheidende technische Frage lautet darum: Wie lässt sich das unterdrücken? Zu diesem Zweck müssen die Materialien für die Herstellung von Lithiumlegierungen sehr genau ausgesucht werden, und die Prozessbedingungen für das Sintern zur Herstellung der Batterieelemente festgelegt werden.

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TDK, so Sato, „ist es durch die Kombination von Material, Struktur und Verfahren gelungen, eine Struktur zu schaffen, die relativ resistent gegen volumetrische Ausdehnung ist“. Als Unternehmen, das sich hauptsächlich auf dem Gebiet der Keramik für elektronische Materialien entwickelt habe, so Sato, „sind wir sehr stark in der Co-Firing-Technologie für Keramik und in der Schaffung von Strukturen und Mikrostrukturen. Durch die Nutzung dieser Technologien waren wir in der Lage, die volumetrische Ausdehnung von Materialien zu unterdrücken, auch wenn es nicht möglich ist, sie vollständig zu beseitigen“.

Wie eingangs erwähnt, zielt TDK mit seiner neuen Festkörperbatterie auf den Ersatz von Knopf- und Pouch-Zellen, und damit den Einsatz in tragbaren Geräten wie kabellosen Kopfhörern, Hörgeräten sowie Smartwatches, aber auch in Umweltsensoren. Durch die Verwendung eines oxidbasierten Festelektrolyten ist die Batterie extrem sicher. Sie ermöglicht es Anwendern, die EU-Batterieverordnung zu erfüllen, die in Geräten, die in direktem Kontakt mit dem menschlichen Körper kommen, den Ersatz von Knopfzellen-Primärbatterien durch wiederaufladbare Batterien vorschreibt. Eine kleinere Akku-Größe und höhere, zur Verfügung stehende Kapazitäten, erlauben zudem die weitere Miniaturisierung von Geräten und eine Verlängerung der Betriebszeit.

Aber würde sich eine Festkörperbatterie mit einer Energiedichte von 1000 Wh/L nicht auch für andere Applikationen anbieten? Vielleicht sogar im Bereich mobiler Transportlösungen? Aus Sicht von Sato wäre das keine so gute Idee: „Aus technischer Sicht ist ein kleiner Formfaktor für Batterien aus Sinterttechnik besser geeignet. Das liegt daran, dass kleinere Keramiken weniger bruchgefährdet sind, während größere Keramiken ehr zu Rissen und Verformungen neigen. Darum liegt unser Schwerpunkt auf der Entwicklung kleinerer Zellen als sie etwa in Smartwatches eingesetzt werden“.

Wer bei der Entwicklung der Festkörperbatterien der CeraCharge Gen2 eine Zusammenarbeit mit dem ebenfalls zur TDK-Familie gehörenden Batteriehersteller ATL vermutet liegt falsch. „Es besteht kein Zusammenhang mit ATL“, versichert Sato, „TDK hat die Technologie für CeraCharge Gen2 in Japan und Österreich in den F&E-Zentren von Technology&Intellectual Property Headquarter des Unternehmens entwickelt.“

Nach der Auslieferung von Mustern ab 2025, bei denen es sich um eine, in einem Gehäuse untergebrachte Zelle mit 750 Wh/L handeln wird, will TDK mit seinen Kunden über den anzustrebenden Produktionsumfang für die CeraCharge Gen2 sprechen.