Fließender Übergang in Feststoffbatterien

Im Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion am Fraunhofer für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) wird die Prozesstechnik für die Festkörperbatterien der Zukunft entwickelt. 

"Feststoffbatterien haben das Potenzial, die bisherige Batterietechnik abzulösen", davon ist Carsten Glanz überzeugt. Der Gruppenleiter für Applikationstechnik funktionaler Materialien am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA will zusammen mit einem Team von Wissenschaftlern und zwei mittelständischen Unternehmen aus Baden-Württemberg die Voraussetzungen schaffen für die automatisierte Fertigung hochwertiger Stromspeicher.

Verglichen mit den heute gängigen Lithium-Ionen-Batterien haben Festkörperbatterien mehrere Vorteile: Die Sicherheit ist höher – weil kein flüssiger Elektrolyt benötigt wird, kann nichts auslaufen und sich entzünden. Hinzu kommen eine höhere Energiedichte und eine längere Lebensdauer.

Noch steckt die Technik aber in den Kinderschuhen. "Festkörperbatterien mit einer Elektrolyt-Schicht aus Keramik beispielsweise wurden bisher nur im Labormaßstab gefertigt. Die Skalierbarkeit – also die Übertragung der Ergebnisse auf eine Produktion im großen Maßstab – ist noch völlig ungeklärt", erklärt Glanz.

Im Projekt "Erforschung neuer Misch- und Sintertechnologien für gradierte keramische Festkörperelektrolyte", kurz "EMSig", will der Ingenieur jetzt eine Prozesskette für die großtechnische Herstellung von Batterien mit keramischen Festkörperelektrolyten entwickeln und optimieren.

Eine besondere Herausforderung bei der Fertigung von Feststoffbatterien sind die Material-Übergänge: Scharfe Grenzen zwischen den einzelnen Schichten der Batterie können zu einer schlechten Ionenleitung führen. Durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen kann es sogar zum Bruch entlang der Grenzschichten kommen.

Die Lösung: fließende Grenzen. "Wir wissen aus Laborversuchen, dass sich die Spannungen durch graduelle Übergänge zwischen dem keramischen Festkörperelektrolyten und den Elektroden verhindern lassen", berichtet Glanz. "Ungeklärt war bisher jedoch, wie sich diese spannungsverringernden Übergänge prozesstechnisch realisieren lassen."

Ziel der Forschenden ist es nun, eine Demonstrator-Anlage zu bauen, in der Feststoffbatterien aus nur hauchdünnen, homogenen Pulverschichten Lage für Lage aufgebaut und gesintert werden, wobei sich die Zusammensetzung des Pulvers mit jeder Schicht verändert: Am Übergang zwischen Elektrode und Elektrolyt beispielsweise wird sukzessive mehr Keramikpulver beigemischt – 25, 50, 75 und schließlich 100 %. So entsteht der graduelle Übergang.

In zwei Jahren soll der gesamte Produktionsprozess soweit ausgereift sein, dass er von der Industrie für die Batterieherstellung im großen Maßstab genutzt werden kann. Unterstützt wird das EMSig-Projekt durch das Land Baden-Württemberg mit über 1,16 Mio. Euro.