Prototypen in zwei Jahren: Forschungsprojekt zu Feststoffbatterien gestartet

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Duisburg - Feststoffbatterien sind in ihrem Aufbau zwar mit konventionellen Lithium(Li)-Ionen-Batterien vergleichbar. Industrie und Forschung versprechen sich von künftigen Feststoffbatterien im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien aber eine deutlich höhere Speicherkapazität, einen sicheren Betrieb und Langlebigkeit.

Im Unterschied zu Lithium-(Li)-Ionen-Batterien verfügen Feststoffbatterien über einen festen Elektrolyten anstelle einer flüssigen Variante. Damit gehen drei entscheidende Vorteile einher: Feststoffbatterien sind kleiner und daher gut geeignet für den Einsatz in der E-Mobilität. Da keine organischen Verbindungen im Elektrolyten vorkommen, enthalten sie zudem deutlich weniger brennbares Material. Des Weiteren kommen sie ohne umweltschädliche perfluorierte Verbindungen aus, also ohne sogenannte Ewigkeitschemikalien, die kaum abbaubar sind.

Aktuell werden Feststoffbatterien erst in wenigen Nischenanwendungen eingesetzt, das will der Projektverbund FB2-SiSuFest unter der Leitung der Universität Münster ändern. Das Ziel: Anodenmaterial zu nutzen, das im Pilotmaßstab hergestellt werden soll, um damit realistische Prototyp-Zellen zu entwickeln. Die Voraussetzungen dafür bieten die Nanopartikelsyntheseanlagen im Nano Energie Technik Zentrum der Universität Duisburg-Essen (UDE).

Zur sicheren Speicherung des Lithiums nutzen die Wissenschaftler um Prof. Dr. Hartmut Wiggers als Anodenmaterial amorphe Partikel aus modifiziertem Siliziumnitrid (SiNx). „Dieses Funktionsmaterial haben wir entwickelt, indem wir dessen Eigenschaften analysiert und zugrundeliegende Mechanismen für den Lade- und Entladevorgang aufgeklärt haben. Daraus haben wir die Erkenntnis gewonnen, dass die besondere Struktur der Partikel für eine sehr schnelle Verteilung des Lithiums im Speichermaterial sorgt“, so “, so Wiggers. Auch die Volumenzunahme um das Dreifache, die bei der Verwendung von reinem Silizium als Anodenmaterial auftritt, könne das Material weitestgehend kompensieren und dabei noch eine hervorragende Leitfähigkeit sicherstellen.

Neben der Skalierung der Herstellung werden die Wissenschaftler der UDE zwei weitere Fragen innerhalb des Projekts bearbeiten: Was ist die ideale Partikelgröße für das Anodenmaterial? Und: Wie sieht das optimale Si-zu-N-Verhältnis aus? Parallel entwickeln Forschende an der Universität Münster sowie der Justus-Liebig-Universität Gießen den Festelektrolyten; die Vollzellen entstehen in den Laboren des Fraunhofer Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden.

Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt für zwei Jahre mit 1,7 Mio. Euro.