
Im Sinterverfahren hergestellter Feststoffakku. (Foto: Jonas Heldt/Fraunhofer IPA)
Bisher wurden Festkörperbatterien, oder Feststoffakkus, mit einer Elektrolytschicht aus Keramik nur im Labormaßstab gefertigt. Dabei arbeitet insbesondere die Autoindustrie fieberhaft an der Entwicklung von Feststoffakkus.
Feststoffakku: Sicherer und leistungsstärker
Im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus sind sie nicht brennbar und versprechen Reichweiten von bis zu 1.000 Kilometern – beides wichtige Argumente für den Verkauf von Elektroautos. Forscher:innen des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) ist jetzt ein Durchbruch auf dem Weg zur industriellen Herstellung von Feststoffakkus gelungen.
Im Rahmen des Projekts „Erforschung neuer Misch- und Sintertechnologien für gradierte keramische Festkörperelektrolyte“ (Emsig) haben die Forscher:innen die Grundlagen gelegt, um die Festkörper-Lithium-Ionenbatterien industrienah weiterzuentwickeln. Ergebnis: „Wir konnten die Produktion der Festkörperbatterien vom Labormaßstab auf ein industrienahes, skalierbares Level heben“, so Jonas Heldt, Wissenschaftler am Fraunhofer IPA, in einer Mitteilung.
Nachholbedarf bei Ausgangsmaterial
Bis die Herstellung im industriellen Maßstab erfolgen kann, gilt es aber noch, einige Hürden zu nehmen. Dazu gehört, genügend Rohstoffe zur Verfügung zu haben. Zwar sind Rohstoffe vorhanden, bisher wird aber der im Rahmen des Emsig-Projekts eingesetzte Festkörperelektrolyt Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP) noch nicht in größeren Mengen produziert.
Das soll sich aber laut den Fraunhofer-Wissenschaftler:innen mit einer steigenden Nachfrage nach dem Endprodukt „erfahrungsgemäß“ ändern. Dann dürfte auch die Zahl der LATP-Hersteller steigen.
Um Festkörperbatterien mit einer Elektrolytschicht aus Keramik herzustellen, muss das als Ausgangsmaterial genutzte Pulver in eine feste Form gebracht werden. Dazu wird es gesintert, also unter Druck erhitzt.
Pulver wird unter Druck erhitzt
Die Pulver für die Kathoden-, Anoden- und Elektrolytschicht werden – inklusive Zwischenschichten – in einer Form aufeinandergeschichtet und dann in eine Sinterpresse eingelegt. Die Zwischenschichten dienen dazu, mechanische Spannungen zu verringern und Übergangswiderstände zu verbessern.
Die gefüllte Form wird anschließend in eine Sinterpresse eingelegt und unter hohem Druck und vergleichswiese niedrigen Temperaturen mit einem Stempel zusammengedrückt. Statt mehrerer Stunden wie bei einem herkömmlichen Sinterverfahren dauert das Ganze laut den Fraunhofer-Forscher:innen nur wenige Minuten.
Arbeitsaufwand reduziert, Skalierung in Sicht
„Über dieses Verfahren lassen sich mehrere gradierte Schichten von Kathode und Separator in einem einzelnen Herstellungsschritt produzieren“, erklärt Heldt. Das reduziere den Arbeitsaufwand erheblich und erlaube eine spätere Skalierung zu größeren Durchsätzen.