Elektrisierendes Pulver

Neuartige Festkörperbatterien wollen Lithium-Ionen-Akkus den Rang ablaufen und die Reichweite von Elektrofahrzeugen deutlich steigern. Dabei macht ein spezielles Hightech-Material den großen kleinen Unterschied auf dem Weg zur nächsten Generation der Speichertechnologien: Glaskeramikpulver.

Neuartige Festkörperbatterien wollen Lithium-Ionen-Akkus den Rang ablaufen und die Reichweite von Elektrofahrzeugen deutlich steigern. Dabei macht ein spezielles Hightech-Material den großen kleinen Unterschied auf dem Weg zur nächsten Generation der Speichertechnologien: Glaskeramikpulver.

Wie ein Häufchen Staub liegt das weiße Pulver in einer Schale vor Dr. Andreas Roters. Ein Vergleich mit Augenzwinkern, denn der mikrofein gemahlene Werkstoff will buchstäblich Staub aufwirbeln in einer Branche, die zu den zukunftsträchtigsten überhaupt gehört. „Wir entwickeln Glas- keramikmaterial, das eine Schlüsselfunktion in den Batterien von morgen für die Elektromobilität spielen soll“, verrät Dr. Roters. Der Experte in der zentralen Forschung von SCHOTT leitet Projekte, die auf die Herstellung sogenannter Festkörperbatterien zielen.

Diese neue Batterietechnologie soll lang gehegte Wünsche der Automobilindustrie erfüllen: Reichweiten von über 500 Kilometern für Elektrofahrzeuge, kürzere Ladezeiten, höhere Betriebssicherheit, niedrigere Kosten. Festkörperbatterien tauchen in den Roadmaps so gut wie aller namhaften Autohersteller auf. Toyota kündigte erste Autos mit Feststoffbatterien zu Demonstrationszwecken bis zu den Olympischen Spielen 2020 in Japan an, Volkswagen und BMW kooperieren auf diesem Feld mit Akku-Spezialisten, laut Medienberichten sollen schon in den nächsten Jahren erste E-Busse der Daimler-Marke eCitaro mit der neuen Technologie im Stadtverkehr fahren.

Was macht die Neuheit so chancenreich? Festkörperbatterien arbeiten auf Basis von Lithiumzellen, ebenso wie die derzeit vorherrschenden Lithium-Ionen-Akkus. Im Gegensatz zu diesen nutzen sie jedoch keine flüssigen, sondern Festelektrolyte zur Ionenleitung. Dies ermöglicht, kurz gesagt, den Einsatz alternativer Elektrodenmaterialien für Anode und Kathode. Auf diesem Weg lassen sich Energiedichte und Speicherkapazität der Zelle erhöhen – und damit auch die Reichweite der E-Fahrzeuge. Festelektrolyte sind zudem sicherer als flüssige, die leichter entweichen und sich entzünden können. Die Batterien halten höheren Temperaturen stand und altern weniger schnell. Sie benötigen keine allzu aufwendige Kühlung und Sicherheitskapselung mehr, was Vorteile in Bezug auf Baugröße und Gewicht bringt. Darüber hinaus konnten Labortests belegen, dass kürzere Ladezeiten als bei Lithium-Ionen-Akkus realisierbar sind.

Im Batterielabor wird Glaskeramikpulver für Festkörperbatterien getestet.
Mit einem speziellen Gerät wird die Leitfähigkeit der ionenleitenden Glaskeramik gemessen.

Das Glaskeramikpulver nun kommt an zentraler Stelle in der Batterie zum Einsatz: als ionenleitender Festelektrolyt. Ein SCHOTT Expertenteam hat dazu Materialien mit hoher Leitfähigkeit sowie definierter chemischer und Temperaturstabilität entwickelt und in zwei mehrjährigen Forschungsförderprojekten nachgewiesen, dass diese sich für Festkörper- batterie-Zellsysteme eignen. Dabei handelt es sich um zwei der vielversprechendsten Materialklassen im Hinblick auf deren hohe Lithium-Ionen-Leitfähigkeit. Weltweit einzigartig ist die Fertigung eines der Materialien in einem SCHOTT- eigenen Schmelzverfahren.

„Unser Team ist dabei, diese Materialien und ihre Herstellung im industriellen Maßstab zu bestmöglicher Performance weiterzuentwickeln“, sagt Dr. Roters. Das Know-how dafür ist da: Seit Jahrzehnten fertigt SCHOTT Glaskeramiken im klassischen Schmelzprozess mit anschließender Keramisierung. „Dieses kombinierte Verfahren, dem das Pulverisieren und je nach Zellkonzept auch das Sintern folgt, ist nicht nur hoch skalierbar und daher kostengünstig. Es eröffnet auch zusätzliche Freiheitsgrade im Materialdesign”, so Dr. Roters. „Wir konnten zum Beispiel schon Grenzflächenwiderstände herabsetzen, um die Leistungsfähigkeit zu verbessern. Und wir arbeiten daran, unsere Werkstoffe zu einer Barriere für Dendriten auszugestalten.“ Diese Auswüchse, die sich durch das hochreaktive Lithium auf Elektroden bilden, können Kurzschlüsse verursachen, was bislang den Einsatz von energiereichem Lithium-Metall als Anode verhindert.

Auf diese Weise entwickelten die SCHOTT Forscher stimmige Materialdesigns für verschiedene Zellkonzepte von Festkörperbatterien: für rein oxidische Systeme mit gesinterten Werkstoffen; für Polymer-Hybrid-Systeme, in denen Kunststoffe mit glaskeramischen Partikeln kombiniert werden; in Nordamerika auch für sulfidische Systeme. „Wir beschäftigen uns schon seit 2011 mit Festkörperbatterien, als in Europa noch kaum einer darüber gesprochen hat. Inzwischen sind wir in vielfältigen Kooperationen und Entwicklungsprojekten involviert und haben ein globales Netzwerk an Partnern mit Kontakten zu führenden Automobil- Herstellern und -Zulieferern aufgebaut“, beschreibt Dr. Roters. Obwohl aber Bemusterungen mittlerweile im Kilogramm- Maßstab laufen und die Nachfrage steigt, bleibt der Experte bodenständig: „Die Materialforschung ist noch nicht vorbei. Bis alle Wünsche der Autoindustrie erfüllt sind, wird es noch dauern.“ Er ist jedoch überzeugt: Wenn die Massenproduktion anläuft, wird es dabei sein, das weiße Pulver.

Präzises Abwiegen des Glaskeramikpulvers vor dem Verpressen und Sintern.
Die Batteriezellen werden beim Laden und Entladen in einer Klimakammer geprüft.

Elektroautos kabellos laden

Neben der Reichweite von Batterien stellt die flächendeckende Ladeinfrastruktur eine Herausforderung der E-Mobilität dar. Unterschiedliche Ladetechnologien stehen derzeit zur Verfügung: Die Plug-in Verbindung via Kabel ist am weitesten verbreitet. Vielversprechend sind auch induktive Ladesysteme: Dieses kabellose Aufladen durch ein magnetisches Feld wird von zahlreichen Automobilunternehmen vorangetrieben.

Für die erforderlichen „Charging Pads“ könnte die Glaskeramik NEXTREMA® das perfekte Material sein. Sie verfügt über eine exzellente Temperatur- und thermische Schockbeständigkeit und bietet eine hohe Infrarot-Durchlässigkeit. „NEXTREMA® kann, da extrem korrosionsbeständig und mechanisch belastbar, das Lade-Pad lebenslang schützen“, erklärt Roberto Perez Castro, Leiter Produktmanagement SCHOTT NEXTREMA®. „Dabei sorgt das Material für ein individuelles, modernes und anspruchsvolles Design – ganz im Sinne des Innovationsflairs der E-Mobilität.“

NEXTREMA® bietet Optionen für kabelloses Laden.

14. Februar 2020

Kontakt

Andreas Roters
Electronic Packaging
SCHOTT AG

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