Bild: Jörg Exner

Forschungsprojekt: Energiedichte von Festkörperbatterien deutlich erhöhen

Im Dachkonzept „Forschungsfabrik Batterie“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) ist die Universität Bayreuth jetzt auch am Kompetenzcluster für Festkörperbatterien „FestBatt“ beteiligt. Ein neues, von Bayreuth aus koordiniertes Forschungsprojekt verfolgt das Ziel, die Energiedichte von wiederaufladbaren Festkörperbatterien deutlich zu erhöhen und die Produktion dieser Batterien nachhaltiger zu gestalten. Hierfür ist die Pulveraerosoldepositionsmethode (PAD) ein aussichtsreiches Verfahren, das künftig für die Beschichtung von Kathoden und Festelektrolyten eingesetzt werden soll. Forschungspartner sind die Universität des Saarlandes und das Karlsruher Institut für Technologie.

Wiederaufladbare Batterien mit einem Festelektrolyten versprechen im Vergleich zu Zellen mit flüssigen Elektrolyten eine erhöhte Sicherheit. Zugleich erscheint es möglich, ihre Energiedichte signifikant zu steigern. Die größte Herausforderung für eine industrielle Produktion von Festkörperbatterien mit hoher Energiedichte liegt darin, Kathoden und Elektrolyte herzustellen, die aus feinen keramischen Schichten aufgebaut sind.

Als effizientes Verfahren zur Herstellung solcher Schichten hat sich in den letzten Jahren die Pulveraerosoldepositionsmethode (Powder Aerosol Deposition, PAD) etabliert. Mit diesem Sprühverfahren lassen sich dichte Keramikschichten auf sehr verschiedene Arten von Materialien aufbringen, beispielsweise auf Stahl, Glas, Silizium oder Kunststoff. Wie hoch die entstehenden Schichten im Einzelnen sind, lässt sich im Voraus exakt festlegen. In der Regel sind sie zwischen 0,5 und 50 Mikrometer dünn. Zum Vergleich: Ein Menschenhaar misst etwa 60 Mikrometer. Die Beschichtung kann bei Raumtemperatur durchgeführt werden, ist kostengünstig und verbraucht nur wenig Energie. Daher ist die PAD eine nachhaltige Methode und insofern auch ein Beitrag auf dem Weg zur „grünen Batterie“.

„FestBatt“ ist bereits das fünfte Kompetenzcluster des Dachkonzepts „Forschungsfabrik Batterie“, an dem die Universität Bayreuth mit einem eigenen Projekt beteiligt ist. Die Gesamtleitung dieses Vorhabens mit dem Akronym „AdBatt“ („Aerosoldeposition zur Herstellung von Batterien mit gradierter Kathode“) liegt bei Prof. Dr.-Ing. Ralf Moos, Inhaber des Lehrstuhls für Funktionsmaterialien an der Universität Bayreuth. Gemeinsam mit seinem Forschungsteam hat er in den letzten Jahren die Weiterentwicklung und Optimierung der PAD vorangetrieben.
„Die Pulveraerosoldepositionsmethode ist ein leistungsstarkes und zugleich umweltfreundliches Verfahren. Wir wollen es jetzt gemeinsam mit unseren Partnern in Karlsruhe und Saarbrücken einsetzen, um im Bereich der Festkörperbatterien eine volumetrische Energiedichte von 1.150 Wh/l zu realisieren“, sagt der Bayreuther Ingenieurwissenschaftler. Ein wichtiger Aspekt der Forschungsarbeiten ist die Entwicklung eines Verfahrens, das es ermöglicht, Kathoden mit variablen Anteilen unterschiedlicher Materialtypen herzustellen. Hierzu zählen das Kathodenaktivmaterial, das Festelektrolytpulver und elektronisch leitfähige Additive.

Zugleich nimmt seitens der Universität Bayreuth auch der Lehrstuhl Elektrische Energiesysteme, geleitet von Prof. Dr.-Ing. Michael Danzer, am neuen Vorhaben teil. Im Fokus der Forschungsarbeiten stehen das elektrochemische Verhalten von gradierten Elektroden mit Festelektrolyt, aber auch die Rahmenbedingungen eines sicheren Batteriebetriebs. Hierfür müssen für die Parameter Temperatur, Druck und Stromdichte geeignete Betriebswerte und -grenzen festgelegt werden.
“Von zentraler Bedeutung unserer Forschungsarbeiten sind eine präzise Modellierung und eine effiziente Simulation elektrochemischer Prozesse, insbesondere im Hinblick auf die Wechselwirkungen zwischen Elektrolyt, Elektrode und Vollzelle. Auf dieser Basis werden wir das Design der von uns angestrebten gradierten Festkörperbatterien schrittweise optimieren können“, sagt Danzer, der auch Leiter des Bayerischen Zentrums für Batterietechnik (BayBatt) an der Universität Bayreuth ist.