Feststoffbatterie: Forschung zu Keramik-Sprühverfahren

Die Universität Bayreuth stößt zum Kompetenzcluster FestBatt: Ein neues, von Bayreuth aus koordiniertes Forschungsprojekt verfolgt das Ziel, die Energiedichte von wiederaufladbaren Festkörperbatterien deutlich zu erhöhen und die Produktion dieser Batterien nachhaltiger zu gestalten.

FestBatt ist ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 2018 gestartetes Kompetenzcluster für Festkörperbatterien. Ziel des mit rund 16 Millionen Euro geförderten Clusters ist es, die Grundlagen von Festkörperbatterien zu erforschen und die gewonnenen Erkenntnisse direkt in die Anwendung zu bringen. FestBatt ist dabei wiederum eingebettet in das Cluster-Netzwerk „Forschungsfabrik Batterie“ des BMBF.

So viel zur Vorrede. Die Uni Bayreuth initiiert nun mit Forschungspartnern der Universität des Saarlandes und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ein neues Projekt innerhalb des FestBatt-Clusters. Hauptgegenstand der Forschung ist die sogenannte Pulveraerosoldepositionsmethode (PAD) – ein Verfahren, das künftig für die Beschichtung von Kathoden und Festelektrolyten eingesetzt werden könnte.

In einer Mitteilung bezeichnen die Bayreuther als größte Herausforderung für eine industrielle Produktion von Festkörperbatterien mit hoher Energiedichte, Kathoden und Elektrolyte herzustellen, die aus feinen keramischen Schichten aufgebaut sind. Ein vielversprechender Ansatz: das PAD-Verfahren, mit dem sich dichte Keramikschichten aufsprühen lassen. „Wie hoch die entstehenden Schichten im Einzelnen sind, lässt sich im Voraus exakt festlegen. In der Regel sind sie zwischen 0,5 und 50 Mikrometer dünn. Zum Vergleich: Ein Menschenhaar misst etwa 60 Mikrometer. Die Beschichtung kann bei Raumtemperatur durchgeführt werden, ist kostengünstig und verbraucht nur wenig Energie. Daher ist die PAD eine nachhaltige Methode und insofern auch ein Beitrag auf dem Weg zur grünen Batterie“, teilt die Universität mit.

Die Gesamtleitung des Projekts mit dem Akronym „AdBatt“ („Aerosoldeposition zur Herstellung von Batterien mit gradierter Kathode“) liegt bei Prof. Ralf Moos vom Lehrstuhl für Funktionsmaterialien an der Universität Bayreuth. „Die Pulveraerosoldepositionsmethode ist ein leistungsstarkes und zugleich umweltfreundliches Verfahren. Wir wollen es jetzt gemeinsam mit unseren Partnern in Karlsruhe und Saarbrücken einsetzen, um im Bereich der Festkörperbatterien eine volumetrische Energiedichte von 1.150 Wh/l zu realisieren“, so der Bayreuther Ingenieurwissenschaftler. Ein wichtiger Aspekt der Forschungsarbeiten sei die Entwicklung eines Verfahrens, das es ermöglicht, Kathoden mit variablen Anteilen unterschiedlicher Materialtypen herzustellen. Hierzu zählen das Kathodenaktivmaterial, das Festelektrolytpulver und elektronisch leitfähige Additive.

Ebenfalls in das Projekt involviert ist der Lehrstuhl Elektrische Energiesysteme der Uni Bayreuth. Er fokussiert sich auf die Erforschung des elektrochemischen Verhaltens von gradierten Elektroden mit Festelektrolyt, aber auch auf die Rahmenbedingungen eines sicheren Batteriebetriebs. „Von zentraler Bedeutung unserer Forschungsarbeiten sind eine präzise Modellierung und eine effiziente Simulation elektrochemischer Prozesse, insbesondere im Hinblick auf die Wechselwirkungen zwischen Elektrolyt, Elektrode und Vollzelle. Auf dieser Basis werden wir das Design der von uns angestrebten gradierten Festkörperbatterien schrittweise optimieren können“, sagt Prof. Michael Danzer vom Lehrstuhl Elektrische Energiesysteme, der auch Leiter des Bayerischen Zentrums für Batterietechnik (BayBatt) an der Universität Bayreuth ist.
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