Festkörperbatterien

Die Festkörperbatterie (engl. All-Solid-State Battery „ASSB“) gilt als das disruptive Konzept, um die Lithium-Ionen-Batteriezelltechnologie sicherer, leistungsstärker sowie energiedichter zu machen und ermöglicht durch den Verzicht auf einen flüssigen Elektrolyten neue Ideen für Zellkonzepte.

Die Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Festkörperbatterie am Fraunhofer ISE reichen von der Entwicklung maßgeschneiderter Elektrodenmaterialien über Batteriezellkomponenten (Separator und Elektroden) bis hin zur Assemblierung der kompletten Zelltechnologie.

Aufgrund unserer Erfahrungen und techno-ökonomischen Bewertungen im Bereich der Lithium-Ionen-Speichersysteme fokussieren wir uns bei der Festkörperbatterie hauptsächlich auf die Verwendung von sulfidischen Materialien. Denn nur diese Materialklasse erlaubt hohe Lithium‑Ionen-Leitfähigkeiten (10^-3-10^-2 S∙cm^-1) bei Raumtemperatur ohne die Zugabe von Flüssigelektrolyten und kombiniert, ähnlich wie polymere Festkörperelektrolyte, die für eine industrielle Verarbeitung notwendigen Materialeigenschaften mit einer entsprechend geringen kristallinen Dichte. Letzteres ist entscheidend, um hohe Energiedichten (> 400 Wh∙kg^-1 / > 1000 Wh∙l^-1) mit konventionellen Kathodenmaterialien (z.B. NMC-basierte Elektroden wie LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂) zu erreichen.

Unsere FuE-Leistungen zum Thema »Festkörperbatterien« umfassen:

• Maßgeschneiderte Materialien für Festkörperbatterien
• Herstellung von Elektroden und Separatoren
• Zellbau und Charakterisierung von Festkörperbatterien
• Entwicklung von Demonstratoren und Produktionstechnische Validation von Festkörperkonzepten-Konzepten

Aktivmaterialien sind essenzieller Bestandteil einer jeden Batteriezelle. Daher forschen wir am Fraunhofer ISE an der Synthese und Optimierung neuartiger und nachhaltiger Aktivmaterialien. Dabei konzentrieren wir uns hauptsächlich darauf, das Material an die Anforderungen der ASSB-Zelle anzupassen.

Unsere FuE-Angebote im Bereich »Maßgeschneiderte Materialien für Festkörperbatterien« umfassen:

• Optimierung von Aktivmaterialien z. B. durch Prälithiierung und Oberflächenbeschichtungen
• Entwicklung und Skalierung neuer energiereicher Aktivmaterialien (Cobaltfreie, NMC-ähnliche Verbindungen sowie deren Li-reichen Analoga)
• Bildung von Festkörperelektrolyt-Aktivmaterial-Gemengen nach unserem etablierten Mahlprozess (oder angepasst nach Kundenwunsch) in unterschiedlichen Maßstäben
• Charakterisierung der einzelnen Materialien unter Verwendung unseres hausinternen Pools an Messgeräten 

Am Fraunhofer ISE widmen wir uns zwei strategischen Methoden für die Fertigung von Festkörperbatterien. Mit unserer Fertigung der einzelnen Komponenten (Kathode, Separatoren und Anode) für das 3-Komponenten-Design ähneln wir dem etablierten Prozess zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien und untersuchen damit die Möglichkeit eines Drop-in-Replacements für eine Markteinführung der Technologie. Im 2-Komponentendesign hingegen wird der Separator direkt auf einer Elektrode aufgebracht, wodurch die Herstellung von ultra-dünnen Separatoren (< 15 µm) ermöglicht wird.

Unsere FuE-Angebote im Bereich »Herstellung von Elektroden und Separatoren« umfassen:

• Bereitstellung von hauseigenen Elektroden (NMC-Kathoden, Si-Anoden) mit einer Flächenbeladung zwischen 0.5 und 4 mAh·cm^-2. Die Zusammensetzung (Aktivmaterial, Festkörperelektrolyt sowie Additive) aller Elektroden kann dabei je nach Wunsch angepasst werden.
• Bereitstellung von Separatoren (20 – 50 µm) für Untersuchungen im Bereich der Festkörperbatterien. Entweder in Form eines durch eine Gerüststruktur verstärkten Festkörperelektrolyten, hergestellt durch unseren etablierten Infiltrationsprozesses, oder aufgebracht auf einer Elektrode (Kathode bzw. Anode).
• Entwicklung von Rezepturen (im Litermaßstab) für die Produktion von Festkörperelektroden und -separatoren

Details spielen eine entscheidende Rolle. Daher werfen wir einen genauen Blick auf das gesamte Leben einer Festkörperbatterie. Von den mikrostrukturellen Veränderungen nach dem Verbinden der Komponenten über die Leistungsfähigkeit der Zellen bis hin zum Ende ihrer Lebensdauer – Jeder einzelne Schritt wird in unseren Einrichtungen genaustens ins Visier genommen.

Unsere FuE-Angebote im Bereich »Zellbau und Charakterisierung von Festkörperbatterien« umfassen:

• Testen von Komponenten / Materialien in unterschiedlichen Zellformaten (Knopf‑, Druck‑, Pouchzelle)
• Analyse der Fertigungsparameter (Temperatur, Druck, Atmosphäre) während der Zellfertigung
• Elektrochemische Analysen (Zyklenstabilität, Leistungsfähigkeit, Impedanz der Zellen)
• In-operando-Vermessung der Druck- und Temperaturabhängigkeiten von Festkörperbatteriezellen während der Zyklierung
• Post-Mortem Untersuchungen (z. B. Messungen an polierten Querschnitten der Zelle)

Die industrielle Fertigung von Festkörperbatterien ist bereits angelaufen. Mit unseren Trockenraumkapazitäten und einer Pilotlinie zur Fertigung von Pouchzellen wollen wir in die Entwicklung weiter vorantreiben und Festkörperbatterien auf kommerziell relevanten Formaten untersuchen.

Unsere FuE-Angebote im Bereich »Skalierung der Elektrodenherstellung und Analyse in Pouchzellen« umfassen:

• Technische Bewertung von Zellchemie sowie Produktionsprozessen für Festkörperbatterien
• Herstellung von ein-/multilagiger Pouchzellen mit Komponenten nach Kundenwunsch
• Bereitstellung von ein-/multilagiger Pouchzellen mit ISE-eigenen Komponenten für externe Untersuchungen
• Unterstützung bei Entwicklungsvorhaben zur Integration von Festkörperbatterien