Ohne sie geht es nicht: Leistungsfähige Batterien sind das Herzstück der Mobilitätswende. Und der Bedarf wächst. In Europa soll es bis 2030 deutlich mehr Neuwagen mit Elektromotor geben. Gleichzeitig will die EU-Kommission die Entwicklung leistungsfähiger Batterien vorantreiben. Daran arbeiten die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC in Würzburg mit Hochdruck. Im neuen Verbundprojekt SOLID entwickeln sie ein einfaches und kostengünstiges Produktionsverfahren auf Sol-Gel-Basis, auf dessen Grundlage Industrieunternehmen in großen Mengen sichere und leistungsfähige Lithium-basierte Festkörperbatterien herstellen können. 

Diese Forschungen wecken neue Hoffnung auf eine erfolgreiche Mobilitätswende, denn Lithium-basierte Festkörperbatterien auf Sol-Gel-Basis gelten als aussichtsreiches Zukunftskonzept. Das Ziel sind sichere, leistungsfähige und kostengünstige Batterien mit hoher Lebensdauer und Ladegeschwindigkeit.

Derzeit werden überwiegend noch konventionelle Lithium-Ionen-Batterien bei Elektro-Fahrzeugen und -Fahrrädern eingesetzt. Zwar haben diese eine vergleichsweise hohe Energie- und Leistungsdichte, da die Spannungsgrenzen jedoch weitestgehend ausgereizt sind, sind der erreichbaren Energiedichte jedoch Grenzen gesetzt. Zudem muss die Ladegeschwindigkeit durch die Steuerelektronik  eingeschränkt werden. Festkörperzellen bieten hier die entscheidenden Vorteile erweiterter Spannungsfenster. Hinzu kommt, dass sie aufgrund des rein keramischen Aufbaus nicht brennbar sind.

Das SOLID-Konsortium will stattdessen Batteriezellen aus Sol-Gel-Schichten aufbauen und so neue kostengünstige Konzepte für Lithium-basierte Festkörperbatterien entwickeln, die eine höhere Energiedichte bei gleichzeitig höheren Spannungen erlauben. Diese sollen bei gleichem Gewicht und Volumen also deutlich mehr Energie als konventionelle Batterie speichern können. Bislang vorhandene Produktionsverfahren für Lithium-basierte Festkörperbatterien sind kostspielig und nicht massentauglich oder aber noch nicht stabil genug für hohe Energiedichten. Das soll sich bald ändern.

Für das Verbundprojekt SOLID (Innovative Festkörperbatterien auf Basis von Sol-Gel-Materialien mit Li-Metallanode und implementierter 3D-Strukturierung), das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird, stehen 3,2 Millionen Euro für die dreijährige Laufzeit bis September 2020 zur Verfügung. Neben Industriepartnern ist das Fraunhofer Forschungs- und Entwicklungszentrum Elektromobilität Bayern FZEB am Fraunhofer ISC in Würzburg als maßgeblicher Ideengeber und Ko-Koordinator beteiligt.

Und die Forscher gehen das Verbundprojekt ambitioniert an: Innerhalb eines Jahres soll bereits eine erste funktionsfähige Einfach-Zelle mit dem neuen Festkörperbatteriekonzept zur Verfügung stehen. Eine besondere Herausforderung auf dem Weg dorthin sind die benötigten Schichtdicken im Sol-Gel-Verfahren, die nicht nur komplexe Anforderungen an Synthese, Herstellung und Aushärtungsverfahren stellen, sondern auch im Widerspruch zu einer guten Ionenleitfähigkeit stehen. Eines der Teilziele ist es, durch eine clevere Beschichtungsmethode hohe Dicken bei gleichzeitig hoher Leistungsfähigkeit zu demonstrieren Das Fraunhofer FuE-Zentrum Elektromobilität Bayern FZEB hat im Verbundprojekt die Aufgabe übernommen, Stromableiter-, Elektrolyt- und Kathodenschichten im Sol-Gel-Verfahren herzustellen. Andreas Wolf, Projektverantwortlicher am Fraunhofer ISC in Würzburg, betont: »Wir können mit unserer Forschung einen wesentlichen Beitrag zu kostengünstigen, produktionstauglichen und robusten neuen Festkörperbatterien mit hohen Energiedichten  leisten – damit bringen wir die Elektromobilität entscheidend voran.«

Projektinformation
SOLID – Innovative Festkörperbatterien auf Basis von Sol-Gel-Matierialien mit Li-Metallanode und implementierter 3D-Strukturierung
Koordinator: VARTA Microbattery GmbH
Ko-Koordinator: Fraunhofer ISC, Fraunhofer FuE-Zentrum Elektromobilität Bayern
Projektlaufzeit: 1.10.2017 – 30.9.2020
Gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF - Förderkennzeichen 03XP0129E

Verbundpartner
VARTA Microbattery GmbH, Ellwangen
Applied Materials WEB Coating GmbH, Alzenau
COATEMA Coating Machinery GmbH, Dormagen
LUNOVU GmbH, Herzogenrath
Fraunhofer ISC, Würzburg
Fraunhofer ISE, Freiburg

Mehr Informationen erhalten Sie auf der Webseite des Fraunhofer FuE Zentrums Elektromobiltät Bayern FZEB.