Festkörperbatterien industrienaher herstellen

Festkörperbatterien haben gewichtige Vorteile, vergleicht man sie mit den in Elektroautos oder Laptops verbauten Lithium-Ionen-Akkus. Da sie über keinen flüssigen Elektrolyten verfügen, der auslaufen und sich entzünden kann, sind Festkörperbatterien sicherer und nicht brennbar. Auch ihre Energiedichte ist höher und die Lebensdauer länger. Das Manko:  Bisher wurden diese Batterien mit einer Elektrolytschicht aus Keramik nur im Labormaßstab gefertigt. Mit der Automatisierung dieses Schrittes beschäftigen sich Forschende des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA.

Nun präsentieren sie ihr erfolgreiches Ergebnis, wie Jonas Heldt erklärt. „Wir konnten die Produktion der Festkörperbatterien vom Labormaßstab auf ein industrienahes, skalierbares Level heben“, so der Wissenschaftler am Fraunhofer IPA

Die Arbeit der Forscher lief im Rahmen des kürzlich abgeschlossenen Projektes „Erforschung neuer Misch- und Sintertechnologien für gradierte keramische Festkörperelektrolyte“ − kurz „EMSiG“. Die Forscher führten ihre Arbeiten zusammen mit den mittelständischen Unternehmen „Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH“ und „Dr. Fritsch GmbH & Co. KG“ durch. Das Land Baden-Württemberg förderte das Projekt mit über 1 Million Euro. 

Zum Produktionsprozess: Klassischerweise werden Folien beschichtet, damit sie als Anode, Kathode und neutrale Zwischenschicht dienen, und setzt diese zur Batterie zusammen. Bei Keramiken dient dagegen Pulver als Ausgangsmaterial. Um dieses in eine feste Form zu bringen, muss es gesintert − das heißt, unter Druck erhitzt − werden. Hier setzte die Arbeit des Forschungsteams an. Es untersuchte verschiedene Verfahren.

Als am vielversprechendsten kristallisierten sie ein Verfahren heraus, bei dem die Pulver trocken in einer Form aufeinandergeschichtet werden. Hierzu brachte das Team neben Kathoden-, Anoden- und Elektrolytschicht Zwischenschichten ein, um den Elektrolytanteil nicht allzu abrupt ansteigen zu lassen. Durch diese graduellen Übergänge wollen die Forscher mechanische Spannungen verringern und Übergangswiderstände in der gesinterten Batterie verbessern.

Die gefüllte Form legten sie in eine Sinterpresse ein. Dabei werden die Materialien unter hohem Druck und vergleichsweise niedrigen Temperaturen mit einem Stempel zusammengedrückt. Statt Stunden, die bei herkömmlichen Sinterverfahren nötig sind, dauert dies nur wenige Minuten. Heldt: „Über dieses Verfahren lassen sich mehrere gradierte Schichten von Kathode und Separator in einem einzelnen Herstellungsschritt produzieren.“ Dieses Vorgehen reduzierte den Arbeitsaufwand erheblicher und erlaube eine spätere Skalierung zu größeren Durchsätzen. „Die Basis für eine industrielle Produktion der Festkörperbatterien ist also gelegt“, so Fraunhofer in einer Mitteilung. 

Rohstoffe als Nadelöhr

Neben industrienahen Produktionsprozessen ist auch eine gesicherte Rohstofflage eine Grundvoraussetzung zum Markteinstieg der Festkörperbatterien. Das Problem: Die hierfür benötigten Ausgangsmaterialien werden bislang industriell nicht verwendet und daher auch nicht in größeren Mengen produziert. Im Fall des Emsig-Projektes war dies etwa der eingesetzte Festkörperelektrolyt Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat, kurz „LATP“.

Der Projektpartner Dr. Fritsch GmbH & Co. KG analysierte hierfür die Marktlage. Im Mittelpunkt standen die Fragen, woher sich die nötigen Rohstoffe beziehen lassen und in welcher Form sie aufbereitet werden müssten. „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“, erklärt Elke Ade. Die Leiterin des Geschäftsbereichs Metallpulver geht jedoch davon aus, dass deren Zahl erfahrungsgemäß mit der Nachfrage nach dem Endprodukt schnell wachsen werde.