Neue Festkörperbatterien für die nächste Generation der E-Mobilität

| Redakteur: Benjamin Kirchbeck

Die neuartige Festkörperbatterie besteht insgesamt aus fünf Verbundprojekten: drei Material- und zwei Methodenplattformen. In der ersten Projektphase steht die reproduzierbare Herstellung geeigneter Festelektrolyte im Fokus (Symobilbild).
Die neuartige Festkörperbatterie besteht insgesamt aus fünf Verbundprojekten: drei Material- und zwei Methodenplattformen. In der ersten Projektphase steht die reproduzierbare Herstellung geeigneter Festelektrolyte im Fokus (Symobilbild). (Bild: Clipdealer)

Große Speicherkapazitäten, kurze Ladezeiten und keine brennbaren flüssigen Elektrolyte – die Festkörperbatterie soll zukünftig sichere Elektromobilität mit großen Reichweiten ermöglichen. Im Kompetenzcluster „FestBatt“ wird an der Entwicklung der nächsten Batteriegeneration geforscht.

Der Klimawandel, die Schadstoffbelastung durch Straßenverkehr und die Endlichkeit fossiler Brennstoffe machen eine nachhaltige Energietechnologie zu einer wichtigen Zukunftsaufgabe. Insbesondere werden Speicher für regenerative Energien benötigt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten aktuell an einem Mix aus ganz unterschiedlichen Batterien, die auf den Gebrauch in Elektrofahrzeugen oder Speichern in industriellen Anwendungen und Privathaushalten zugeschnitten sind. Neben den bereits etablierten Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten im Innern der Batterie, geraten dabei zunehmend auch Batterien in den Fokus der Forschung, die auf Elektrolyten aus festen Materialien basieren.

„Solche Festkörperbatterien sind feuersicher und könnten zukünftig größere Speicherkapazitäten und schnellere Ladevorgänge ermöglichen“, sagt Professor Helmut Ehrenberg vom Institut für Angewandte Materialien (IAM) des KIT. Dieser Batterietyp habe deshalb das Potenzial, sowohl sichere Elektromobilität mit großen Reichweiten zu ermöglichen als auch stationär eingesetzt zu werden. Beispielsweise könnte man Festkörperbatterien auch als effektive Speicher für Strom aus privaten Photovoltaikanlagen nutzen. Um diese Ziele zu erreichen, bestehe bei der Festkörperbatterie aber noch erheblicher Forschungsbedarf.

Wissenschaftler am KIT bei der Arbeit in einem Batterielabor zur Bestimmung von Materialeigenschaften. Die Charakterisierung von neuen Materialien ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Festkörperbatterie.
Wissenschaftler am KIT bei der Arbeit in einem Batterielabor zur Bestimmung von Materialeigenschaften. Die Charakterisierung von neuen Materialien ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Festkörperbatterie. (Bild: KIT)

Hier setzt der neue Kompetenzcluster für Festkörperbatterien „FestBatt“ an. Er wird von Professor Jürgen Janek (JLU) koordiniert und umfasst alle für das Thema Festelektrolyte und Festkörperbatterien relevanten Forschungseinrichtungen in Deutschland – darunter Universitäten und Forschungszentren aus der Helmholtz-Gemeinschaft sowie der Fraunhofer-Gesellschaft. Das KIT ist mit mehreren Instituten beteiligt und erhält in der ersten Projektphase über drei Jahre Fördermittel des BMBF in Höhe von 3,95 Millionen Euro.

Ziel von „FestBatt“ ist es, grundlegendes Wissen für Festkörperbatterien zu erarbeiten sowie deren Funktionsweise im Detail zu verstehen, wissenschaftlich zu beschreiben und funktionsfähige Prototypen zu entwickeln. Mit dem Kompetenzcluster wird aber auch der Grundstein für den Aufbau und die nachhaltige Weiterentwicklung einer international führenden, wettbewerbsfähigen Batteriezellproduktion in Deutschland gelegt.

KIT koordiniert Methodenplattform Charakterisierung

„FestBatt“ besteht insgesamt aus fünf Verbundprojekten: drei Material- und zwei Methodenplattformen. In der ersten Projektphase steht die reproduzierbare Herstellung geeigneter Festelektrolyte im Fokus. „Die Auswahl kompatibler Materialien ist essenziell für das spätere Zelldesign. Die bei uns durchgeführte elektrochemische Charakterisierung liefert die wichtigsten materialspezifischen Parameter und ermöglicht so die Auswahl leistungsfähiger Materialkombinationen“, sagt Professorin Ellen Ivers-Tiffée, die gemeinsam mit Ehrenberg in der vom KIT koordinierten Methodenplattform zur Charakterisierung für „FestBatt“ arbeitet, in der wiederum Partner aus Jülich, Gießen und Marburg eingebunden sind.

Professor Helmut Ehrenberg vom Institut für Angewandte Materialien (IAM) des KIT koordiniert in „FestBatt“ die Methodenplattform Charakterisierung.
Professor Helmut Ehrenberg vom Institut für Angewandte Materialien (IAM) des KIT koordiniert in „FestBatt“ die Methodenplattform Charakterisierung. (Bild: KIT)

Auch in allen anderen Plattformen des Kompetenzclusters ist das KIT vertreten. So arbeiten Professorin Britta Nestler (IAM), Dr. Michael Selzer (IAM) und Professor Arnulf Latz vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Helmholtz-Institut Ulm (HIU, einem vom KIT mit der Universität Ulm gegründeten Helmholtz-Institut) in einer weiteren Methodenplattform, die sich mit Theorien und Daten rund um die Festkörperbatterie beschäftigt. Professor Michael Hoffmann (IAM) wiederum forscht in einer Materialplattform, die unterschiedliche Oxide untersucht.

In einer weiteren Materialplattform entwickeln Professor Patrick Théato vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) sowie Professor Stefano Passerini und Dr. Dominic Bresser (HIU) neue polymerbasierte Festkörperelektrolytsysteme und untersuchen diese hinsichtlich ihrer Eignung für Festkörperbatterien – inklusive der anschließenden Hochskalierung der vielversprechendsten Systeme und der Fertigung von Lithiumpolymerbatterien.

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