Forscher entwickeln Verfahren für skalierbare Feststoffakku-Produktion
Forschende des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) geben an, mit ihren Resultaten dazu beizutragen, dass Festkörperbatterien industrienah weiterentwickelt werden können. Das Projekt mit dem Titel EMSiG („Erforschung neuer Misch- und Sintertechnologien für gradierte keramische Festkörperelektrolyte“) erfolgte dabei in Schulterschluss mit den mittelständischen Unternehmen Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH und Dr. Fritsch GmbH & Co. KG und wurde vom Land Baden-Württemberg mit über einer Million Euro gefördert.
Als Ausgangspunkt und Problemstellung ihrer Forschung geben die Partner an, dass Festkörperbatterien mit einer Elektrolyt-Schicht aus Keramik bisher nur im Labormaßstab gefertigt werden können. Es fehle bislang eine skalierbare Produktionsmethode. Eine solche hat das Team nun entwickelt: „Wir konnten die Produktion der Festkörperbatterien vom Labormaßstab auf ein industrienahes, skalierbares Level heben“, bekräftigt Jonas Heldt, Wissenschaftler am Fraunhofer IPA.
Doch der Reihe nach: Zunächst widmeten sich die Partner den benötigten Rohstoffen, denn „die benötigten Ausgangsmaterialien – etwa der im Projekt eingesetzte Festkörperelektrolyt Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP) – werden bislang industriell nicht verwendet und daher auch nicht in größeren Mengen produziert.“ Die Dr. Fritsch GmbH & Co. KG analysierte innerhalb des Projekts daher die Marktlage. „Die Herausforderung ist hier nicht die Verfügbarkeit der einzelnen Rohstoffe an sich, sondern die noch relativ geringe Anzahl von Herstellern, die daraus das Festkörperelektrolyt LATP fertigen. Erfahrungsgemäß wird diese aber mit der Nachfrage nach dem Endprodukt schnell wachsen“, so Elke Ade, Leiterin Geschäftsbereich Metallpulver bei der Dr. Fritsch GmbH & Co. KG.
Als weiteren Fokus des Projekts richteten die Partner den Blick auf industrienahe Produktionsprozesse, die sich auf einen größeren Durchsatz hochskalieren lassen. „Klassischerweise beschichtet man Folien, damit sie als Anode, Kathode und neutrale Zwischenschicht dienen, und setzt diese zur Batterie zusammen. Bei Keramiken dient dagegen Pulver als Ausgangsmaterial. Um dieses in eine feste Form zu bringen, muss es gesintert werden – also unter Druck erhitzt“, erläutern die Experten. Dazu untersuchten sie verschiedene Verfahren und kamen zu dem Schluss, dass es am vielversprechendsten ist, die Pulver trocken in einer Form aufeinanderzuschichten und dabei graduelle Übergänge zu schaffen, die die mechanischen Spannungen und die Übergangswiderstände in der gesinterten Batterie verbessern.
Die gefüllte Form haben die Forscher in eine Sinterpresse eingelegt, wobei die Materialien wenige Minuten lang unter hohem Druck und vergleichsweise niedrigen Temperaturen mit einem Stempel zusammengedrückt wurden. „Über dieses Verfahren lassen sich mehrere gradierte Schichten von Kathode und Separator in einem einzelnen Herstellungsschritt produzieren, was den Arbeitsaufwand erheblich reduziert und eine spätere Skalierung zu größeren Durchsätzen erlaubt“, fasst Heldt zusammen.
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