Vorteil ist Nichtenflammbarkeit

Konsortium forscht zu Festkörperbatterien

So verteilen sich die Lithium-Ionen in einer Batterieelektrode. © DLR

Festkörperbatterien haben eine hohe Speicherkapazität und lassen sich schnell laden. Im Unterschied zu Lithium-Ionen-Batterien kommen sie ohne flüssige Elektrolyte aus. Das macht sie sicherer und nicht brennbar. Ein Forschungscluster soll sie der Marktreife näher bringen.

Im Kompetenzcluster "FestBatt" forschen deutschlandweit 14 wissenschaftliche Einrichtungen gemeinsam an der Entwicklung und Produktion dieser neuartigen Batterietechnologie. Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) bringen ihre Kompetenzen im Bereich der Modellierung und Simulation ein, um die grundlegenden Prozesse im Inneren einer Festkörperbatterie besser zu verstehen.

Die aktuell häufig eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien haben in ihrem Inneren einen flüssigen Elektrolyten. Dieser ermöglicht den Austausch der Ionen zwischen den beiden Elektroden und somit die Stromproduktion – er ist allerdings auch brennbar. Fehler bei Ladevorgängen, Betrieb oder Lagerung können zu Brand oder Explosion der Batterien führen.

Im Gegensatz dazu bestehen Elektroden und Elektrolyt bei Festkörperbatterien aus festen Materialien, die nicht entflammbar sind. Zudem zeichnen sie sich durch eine lange Lebensdauer und Lagerfähigkeit aus und zeigen auch bei Temperaturschwankungen keine plötzlichen Leistungseinbrüche. Diese neuartige Batterietechnologie könnte Elektrofahrzeugen eine höhere Reichweite ermöglichen und sie sicherer machen.

Der Schwerpunkt des Kompetenzclusters liegt auf der Erforschung der benötigten Materialien sowie der für die Kommerzialisierung notwendigen Prozesstechnologie. Wissenschaftler der Abteilung für computergestützte Elektrochemie des DLR-Instituts für Technische Thermodynamik werden dazu am Helmholtz Institut Ulm gemeinsam mit Partnern an der Technischen Universität Darmstadt, der Technischen Universität München, der Universität Münster sowie am Helmholtz Institut Münster und am Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) in einer Methodenplattform arbeiten, die Theorien und Daten rund um die Festkörperbatterie zusammenbringt.

"Wir werden vor allem computerbasierte Modelle und Simulationen entwickeln, mit deren Hilfe wir die Prozesse im Inneren von Festkörperbatterien besser verstehen und optimieren können – von der Materialebene über die Struktur der Elektroden bis hin zur Batteriezelle", erklärt Professor Arnulf Latz, der die Abteilung für computergestützte Elektrochemie am DLR-Institut für Technische Thermodynamik und Helmholtz Institut Ulm leitet. Das KIT ist mit mehreren Instituten beteiligt und koordiniert die 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.

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. Quellen: DLR / KIT / pgl

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