04.10.2021 – Kategorie: Konstruktion & Engineering

Forschung für sichere Feststoffbatterien

Forschung für sichere FeststoffbatterienQuelle: Xilai Xue/KIT
Im Projekt Alano entwickeln Industrie und Wissenschaft innovative Konzepte für Akkus mit Lithiummetall-Anode. Forschende des KIT untersuchen elektrochemische Aspekte der sicheren Feststoffbatterien.

Im neuen anwendungsorientierten Projekt Alano (Alternative Anodenkonzepte für sichere Feststoffbatterien) befassen sich Partner aus Industrie und Forschung unter der Koordination der BMW AG mit Lithium-Batterien der nächsten Generation. Das Helmholtz-Institut Ulm (HIU), das vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Universität Ulm gegründet wurde, ist an dem vom Bundesforschungsministerium geförderten Vorhaben beteiligt.

Fester Elektrolyt verspricht Vorteile für die Sicherheit

Leicht und leistungsstark, kostengünstig und sicher – Akkumulatoren für Elektroautos müssen verschiedene Anforderungen vereinen. Batterieforschende und Automobilhersteller setzen daher seit einiger Zeit verstärkt auf Feststoffbatterien. Bei dieser Bauform bestehen sowohl beide Elektroden als auch der Elektrolyt aus festen Materialien. Besonders der feste Elektrolyt verspricht Vorteile für die Sicherheit: Er ist schwer entflammbar und kann nicht auslaufen. Das neue Verbundvorhaben Alano befasst sich mit Lithium-Batterien der nächsten Generation und fokussiert sich auf die Lithiummetall-Anode als zentrale Komponente. Das Projekt zielt darauf, die Energiedichte einer Feststoffbatterie zu erhöhen, und zwar bei hoher Sicherheit.

Feststoffbatterien: Höhere Energiedichte – längere Reichweite

„Lithiummetall als Anodenmaterial besitzt das Potenzial, die Energiedichte auf Zellebene erheblich zu steigern und damit die Reichweite von Elektroautos deutlich zu verlängern“, erklärt Professor Stefano Passerini, Direktor des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) und Leiter der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien am HIU. Im Projekt Alano evaluieren Partner aus Forschung und Industrie unterschiedliche auf Lithiummetall basierende innovative Anodenkonzepte für Feststoffbatterien, um die Reaktivität, Sicherheit und Leistungsfähigkeit der Anode zu optimieren und diese in einer robusten Zelleinheit mit hoher Energiedichte zu integrieren. Entscheidend ist dabei die Kombination mit einem festen Elektrolyten. Im Gegensatz zu konventionellen Flüssigelektrolyten, die stark mit Lithiummetall reagieren, sind Festelektrolyte weniger reaktiv und eröffnen damit die Möglichkeit, kinetisch stabile Grenzflächen auszubilden. Dies wiederum verspricht weitere Vorteile: „Erstens wird die Sicherheit wesentlich verbessert, da die Zellen keine flüssigen und leicht brennbaren Bestandteile enthalten“, erläutert Dr. Dominic Bresser, Leiter der Forschungsgruppe Elektrochemische Energiespeichermaterialien am HIU. „Zweitens erhöht sich die Robustheit der Zellen, wodurch Handhabung, Kühlung und Systemintegration leichter werden.“ So lassen sich die Kosten auf Zell-, Modul- und Systemebene senken. Zugleich steigt die Lebensdauer der Zellen, was zur Nachhaltigkeit beiträgt.

Forschung und Entwicklung entlang der gesamten Wertschöpfungskette

Das Projekt Alano deckt die gesamte Wertschöpfungskette von Feststoffbatterien mit Lithiummetall als Anodenmaterial ab: von der Auswahl der Materialien über die Herstellung der Komponenten, die Verarbeitung zu Zellen, die Skalierung der Batterien für den Einsatz in Fahrzeugen und andere Anwendungen bis hin zum Recycling. Die Integration in die Kreislaufwirtschaft ist also ebenfalls berücksichtigt.

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