800 Kilometer fahren. Eine Minute laden. Ein Traum für alle Elektroautofahrer. Der US-Elektroauto-Hersteller Fisker verspricht genau das. Möglich macht dies eine Festkörperbatterie, die eine wesentlich höhere Energiedichte erreicht als die herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus. Die neue Akku-Technologie will Henrik Fisker 2023 in einem Elektroauto zeigen. Fisker hat zudem angekündigt, die Preise der Festkörperbatterien aufgrund verbesserter Herstellungsprozesse und –materialien um bis zu zwei Drittel unter den Preis von Lithium-Ionen-Batterien im Jahr 2020 zu drücken.
Für Forscher des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung (ISC) in Würzburg sind Lithium-basierte Festkörperbatterien auf Sol-Gel-Basis ein aussichtsreiches Zukunftskonzept für sichere, leistungsfähige und kostengünstige Batterien mit hoher Lebensdauer und Ladegeschwindigkeit.
Höhere Energiedichte bei höheren Spannungen
In dem Verbundprojekt SOLID entwickeln die ISC Forscher ein einfaches und kostengünstiges Produktionsverfahren auf Sol-Gel-Basis. Damit schaffen sie eine Grundlage für Industrieunternehmen, um in großen Mengen sichere und leistungsfähige Lithium-basierte Festkörperbatterien herstellen zu können. Denn bisher sind Produktionsverfahren kostspielig, nicht massentauglich oder nicht stabil genug für hohe Energiedichten.
Zudem stößt bei Lithium-Ionen-Batterien die Spannungsgrenze und damit die Energiedichte an ihre Grenzen. Festkörperzellen aus Sol-Gel-Schichten erlauben hingegen eine höhere Energiedichte bei gleichzeitig höheren Spannungen. Oder anders ausgedrückt: Bei gleichem Gewicht und Volumen sollen sie deutlich mehr Energie als konventionelle Batterien speichern.
Das Interesse an den Solid-State-Akkus ist groß. Neben Staubsauger-Hersteller Dyson, der ankündigte, in den Elektroauto-Markt einzusteigen, forschen auch Autohersteller wie Hyundai oder Toyota daran. BMW will Festkörperbatterien für seine Elektrofahrzeuge gemeinsam mit dem Akkuentwickler Solid Power marktreif machen. Das US-Unternehmen beschäftigt sich bereits seit 2012 mit dem vielversprechenden Batteriekonzept.
Breit angelegtes Forschungsprojekt
Die ISC-Forscher sind ambitioniert: Innerhalb eines Jahres soll bereits eine erste funktionsfähige Einfach-Zelle mit dem neuen Festkörperbatteriekonzept zur Verfügung stehen. Möglich sind nach Angaben von Henning Lorrmann, Leiter des Fraunhofer-Forschungs- und Entwicklungszentrum am ISC, volumetrische Ladungsdichten deutlich jenseits der 750 Wattstunden pro Liter (Wh/l) und gravimetrische Energiedichten über 450 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). „Spannungen über 4,6 Volt sind mit Festkörpersystemen denkbar.“
Die Ziele liegen in der Mitte: Als Zwischenetappe in der dreijährigen Projektzeit wollen die Forscher eine volumetrische Energiedichte von 600 Wh/l erreichen. Da es zukünftig allein aufgrund der Ressourcenverfügbarkeit voraussichtlich nicht „die eine“ Zelltechnologie geben werde, sei es sinnvoll, parallel mehrere vielversprechende Technologien zu entwickeln, darunter auch Na-basierte System, so Lorrmann.
Eine besondere Herausforderung auf dem Weg dorthin sind die benötigten Schichtdicken im Sol-Gel-Verfahren, die nicht nur komplexe Anforderungen an Synthese, Herstellung und Aushärtungsverfahren stellen, sondern auch im Widerspruch zu einer guten Ionenleitfähigkeit stehen. Eines der Teilziele ist es, durch eine clevere Beschichtungsmethode hohe Dicken bei gleichzeitig hoher Leistungsfähigkeit zu demonstrieren.
„Wir können mit unserer Forschung einen wesentlichen Beitrag zu kostengünstigen, produktionstauglichen und robusten neuen Festkörperbatterien mit hohen Energiedichten leisten – damit bringen wir die Elektromobilität entscheidend voran“, so Andreas Wolf, Projektverantwortlicher am Fraunhofer ISC.