Feststoffbatterien versprechen im Vergleich zu konventionellen Lithium-Ionen-Batterien eine deutlich höhere Speicherkapazität, mehr Sicherheit im Betrieb und eine längere Lebensdauer. Ein Verbund, an dem die Universität Duisburg-Essen maßgeblich beteiligt ist, will einen Feststoffbatterie-Prototyp bis hin zum Pilotmaßstab realisieren. Das entscheidende Anodenmaterial hat das Institut für Energie- und Materialprozesse der Uni bereits entwickelt. Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt für zwei Jahre mit 1,7 Mio. Euro.

Vorteile von Feststoffbatterie im Vergleich zu konventioneller Lithium-Ionen-Batterie

Feststoffbatterien sind in ihrem Aufbau mit konventionellen Lithium(Li)-Ionen-Batterien vergleichbar. Der namensgebende Unterschied ist der feste Elektrolyt anstelle einer flüssigen Variante. Dadurch hat die Feststoffbatterie im Vergleich zur Lithium-Ionen-Batterie mit flüssigem Elektrolysten vor allem drei Vorteile. Feststoffbatterien sind erstens kleiner und daher gut geeignet für den Einsatz in der E-Mobilität. Da in dem festen Elektrolyten keine organischen Verbindungen vorkommen, enthalten sie zweitens deutlich weniger brennbares Material. Und drittens kommen die Feststoffbatterien ohne umweltschädliche perfluorierte Verbindungen aus – also ohne sogenannte Ewigkeitschemikalien, die kaum abbaubar sind und sich in Gewässern und Böden ansammeln.

Aktuell werden Feststoffbatterien erst in wenigen Nischenanwendungen eingesetzt. Das will der Projektverbund FB2-SiSuFest unter der Leitung der Universität Münster ändern. Das konkrete Projektziel ist, Anodenmaterial im Pilotmaßstab herzustellen und damit realistische Prototyp-Zellen zu entwickeln. Dafür wollen die Forschenden die Nanopartikelsyntheseanlagen im NanoEnergieTechnikZentrum der Universität Duisburg-Essen (UDE) nutzen.

Anodenmaterial kompensiert Ausdehnung

Das Anodenmaterial besteht aus 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“, erklärt Hartmut Wiggers, außerplanmäßiger Professor an der UDE. „Daraus haben wir die Erkenntnis gewonnen, dass die besondere Struktur der Partikel für eine sehr schnelle Verteilung des Lithiums im Speichermaterial sorgt.“ Zudem könne das Material die bei Lithium-Ionen-Akkus im Betrieb entstehende Volumenänderung weitgehend kompensieren. Diese Volumenänderung steht im Verdacht, zu Schäden an den Batteriezellen zu führen.

Neben der Skalierung der Herstellung wollen die Forschenden 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 Teams 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. Über dessen Rolle in dem Projekt berichtete der Solarserver ebenfalls.

Quelle: UDE | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH