Die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) hat zusammen mit Partner einen skalierbaren Produktionsprozess für Festkörperbatterien entwickelt. Damit haben die Wissenschaftler einen bisher noch bestehende Lücke bei der Markteinführung von solchen Festkörperbatterien geschlossen. Dies ist für die Energiewende von Bedeutung. Schließlcih haben die Festkörperbatterien einige Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Akkus. Sie sind beispielsweise nicht brennbar, weil sie keinen flüssigen Elektrolyten haben. Die Festköperbatterien sind auch leichter, was eine höhere Energiedichte zur Folge hat.
Grundlage für industrienahe Weiterentwicklung
Allerdings wurden bisher die Festkörperbatterien mit einer Elektrolyt-Schicht aus Keramik nur im Labormaßstab gefertigt. Mit der jetzigen Entwicklung haben die Forscher des Fraunhofer IPA die Grundlage geschaffen, um die Festkörper-Lithium-Ionenbatterien industrienah weiterzuentwickeln. „Wir konnten die Produktion der Festkörperbatterien vom Labormaßstab auf ein industrienahes, skalierbares Level heben“, betont Jonas Heldt, Wissenschaftler am Fraunhofer IPA.
Lage am Rohstoffmarkt sondiert
Dazu haben die Analysten des Maschinenherstellers Dr. Fritsch GmbH als Projektpartner zunächst die Lage der benötigten Ausgangsmaterialien sondiert. Vor allem das verwendete feste Elektrolyt Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP) stand dabei im Mittelpunkt. Denn es wird bisher nicht industriell verwendet und deshalb auch nicht in großen Mengen hergestellt. Deshalb stand zunächst die Frage im Raum: Wo lassen sich die nötigen Rohstoffe beziehen, wie müssen sie aufbereitet werden? „Die Herausforderung ist hier nicht die Verfügbarkeit der einzelnen Rohstoffe an sich, sondern die noch relativ geringe Anzahl von Herstellern, die daraus das Festkörperelektrolyt LATP fertigen“, weiß Elke Ade, Leiterin des Geschäftsbereichs Metallpulver bei Dr. Fritsch. „Erfahrungsgemäß wird diese aber mit der Nachfrage nach dem Endprodukt schnell wachsen.“
Verfahren skalierbar machen
Doch nicht nur die gesicherte Rohstofflage ist gefragt, wenn die Festkörperbatterien am Markt ankommen sollen, sondern auch ein industrienaher Produktionsprozesse. Dieser muss sich sich auf einen größeren Durchsatz hochskalieren lassen. Normalerweise werden bei der Produktion Folien beschichtet, damit sie als Anode, Kathode und neutrale Zwischenschicht dienen. Diese werden dann zur eigentlichen Batterie zusammengesetzt.
Zwischenschichten reduzieren mechanische Spannungen
Bei Festkörperbatterien werden aber Keramiken verwendet. Hier sind verschiedene Pulver die Ausgangsmaterialien. Um dieses in eine feste Form zu bringen, muss es gesintert werden. Das heißt, es wird unter Druck erhitzt.
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Die Forscher des Fraunhofer IPA haben dazu verschiedene Verfahren untersucht. Am vielversprechendsten war es, die Pulver trocken in einer Form aufeinanderzuschichten. Dabei werden neben Kathoden-, Anoden- und Elektrolytschicht auch Zwischenschichten eingebracht, um den Elektrolytanteil nicht allzu abrupt ansteigen zu lassen. Diese graduellen Übergänge verringern mechanische Spannungen und verbessern Übergangswiderstände in der gesinterten Batterie.
Material wird zusammengepresst
Die gefüllte Form wird dann in eine Sinterpresse eingelegt. Dabei werden die Materialien unter hohem Druck und vergleichsweise niedrigen Temperaturen mit einem Stempel zusammengedrückt. Das dauert nur wenige Minuten und ist im Vergleich zu herkömmlichen Sinterverfahren extrem schnell. Denn diese dauern mehrere Stunden. „Über dieses Verfahren lassen sich mehrere gradierte Schichten von Kathode und Separator in einem einzelnen Herstellungsschritt produzieren, was den Arbeitsaufwand erheblich reduziert und eine spätere Skalierung zu größeren Durchsätzen erlaubt“, erklärt Jonas Heldt. Damit wäre die Basis für eine industrielle Produktion der Festkörperbatterien gelegt. (su)
