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EMPA und Fraunhofer ISC arbeiten an Li-Ion-Nachfolge-Batterien

Europäische Hersteller sollen unabhängig vom Fernost-dominierten Akku-Markt werden. Anfang Januar startete das Projekt «Interface Engineering for Safe and Sustainable High-Performance Batteries» (IE4B).

Im Rahmen eines strategischen, internationalen Kooperationsprogramms der Fraunhofer-Gesellschaft starteten die Empa in Dübendorf (CH) und das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg Anfang Januar ein dreijähriges gemeinsames Forschungsprojekt, um die Basis für eine produktionstaugliche nächste Generation von Antriebsbatterien für Elektroautos zu schaffen. Anders als heute gebräuchliche Lithium-Ionen-Zellen sollen diese nur noch aus Feststoffen bestehen und keine brennbaren flüssigen Elektrolyt mehr enthalten. In diesem Projekt erarbeitet die Empa die chemisch-physikalischen Grundlagen für die neue Batterietechnologie; das Fraunhofer ISC steuert sein Knowhow in der Verfahrensentwicklung und Batteriezellproduktion bei und fertigt erste Prototypen.

Die weltweite Produktion hochmoderner Lithium-Ionen-Batteriezellen, heisst es bei den Projektpartnern, liege heute grösstenteils in den Händen asiatischer Unternehmen. Beim Umstieg vom Verbrennungsmotor auf Elektroantrieb wäre die europäische Automobilindustrie mit ihren 3,4 Millionen Beschäftigten also auf Antriebsbatterien asiatischer Hersteller angewiesen – falls es nicht gelingt, diese Schlüsseltechnologie nach Europa zu holen.

Der kommende Technologiesprung hin zu Festkörperbatterien biete eine Riesenchance. Derartige Batteriezellen kommen ohne brennbare flüssige Elektrolyte aus und bringen damit eine deutlich verbesserte Betriebssicherheit, aber auch Vorteile bei Baugrösse und Gewicht, weil eine weniger aufwendige Sicherheitskapselung notwendig ist. Darüber hinaus versprechen Festkörperbatterien durch den Einsatz von metallischem Anodenmaterial (Lithium) (anstatt der heute üblichen Graphit-Anoden) sowohl eine höhere Energiedichte  als auch deutlich kürzere Ladezeiten.

Während die einzelnen Komponenten (Anode, Kathode, Elektrolyt) im Labor bereits gut untersucht sind, bestehe die grösste Herausforderung darin, diese zu einem stabilen Gesamtsystem zusammenzuführen. Das Projekt namens IE4B («Interface Engineering for Safe and Sustainable High-Performance Batteries») startete Anfang Januar und läuft für drei Jahre im Rahmen der Fraunhofer-Förderlinie ICON («International Cooperation and Networking»). Auf Seiten der Empa liegt der Schwerpunkt in der Entwicklung von Festkörperelektrolyten, Herstellung und Charakterisierung von dünnen Schichten mit massgeschneiderten elektronischen Eigenschaften sowie nanostrukturierter Anodenmaterialien. Das Fraunhofer ISC arbeitet an Lithium-leitenden Polymeren sowie an der Entwicklung von Schutzschichten aus Sol-Gel-Materialien mit spezifischen Eigenschaften für Batterien.

Am IE4B-Projekt sind von Anfang an auch Industrieunternehmen aus Deutschland und der Schweiz als Teil einer Lenkungsgruppe beteiligt, die das Projekt unter industriellen Aspekten begleiten: unter anderem aus der chemischen Industrie wie Heraeus (D), dem Maschinenbau wie die Bühler Gruppe (CH) oder Applied Materials (US/D), Zellfertiger wie Varta (D) sowie Technologieunternehmen wie ABB (CH).

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