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Science

Österreich auf dem Weg zur Festkörperbatterie

Die Batterie ist das Herzstück von Smartphones, Notebooks und Elektroautos. In der Regel kommt sie als Lithium-Ionen-Energiespeicher zum Einsatz. Doch was elektrische Geräte und Fahrzeuge überhaupt erst zum Laufen bringt, geht bekanntlich auch mit einer Reihe von Problemen einher: Die schnelle Alterung und geringe Recycelbarkeit der Batterie und der umweltschädliche Abbau von Lithium. Zusätzlich sind diese Akkus leicht brennbar.

Grund dafür sind die flüssigen Elektrolyte, welche elektrische Ladungen zwischen Elektroden in der Batterie leiten. Überhitzt die Elektrolytflüssigkeit, etwa wegen eines Kurzschlusses, kommt es zu einer thermischen Reaktion. Die Batterie heizt und bläht sich auf und beginnt zu brennen.

Lithium-Metall

Eine vielversprechende und sichere Alternative bieten Feststoffbatterien. Wie diese im industriellen Maßstab hergestellt werden können, erforscht Marcus Jahn, Leiter des neuen Solid-State-Battery-Labors am AIT Austrian Institute of Technology. Neben der erhöhten Sicherheit von Festkörperbatterien sei die höhere Energiedichte ein Vorteil dieser Technologie. Sprich: „Ich kann in das gleiche Gewicht der Batterie mehr Energie speichern“, erklärt Jahn der futurezone. Grund dafür ist das metallische Lithium (Lithium-Metall), das anstatt des Graphits auf der Anoden-Seite der Batterie eingesetzt wird. 

Neu ist dieses Verfahren nicht. Bereits in den 1990er-Jahren habe man begonnen, Batterien mit Lithium-Metall zu bauen. Durch das wiederholte Laden können sich aber aufgrund elektrochemischer Prozesse im Elektrolyten astartige Strukturen – sogenannte Dendriten – bilden. Die wiederum können zu einem Kurzschluss der Zelle führen. Aus diesem Grund habe man Lithium-Metall später nicht mehr verwendet.

„Bei Festkörperbatterien geht man aber davon aus, dass man vermehrt Lithium-Metall verwenden kann, ohne dass sich Dendriten bilden und einen Kurzschluss verursachen, weil es nicht durch den Elektrolyten kommt“, sagt Jahn. 

Herstellung schwierig

Auf der Kathoden-Seite werden prinzipiell die gleichen Materialien wie bei Lithium-Ionen-Batterien verwendet – „mit dem Unterschied, dass feste Elektrolyten beigemischt werden“, sagt Jahn. Diese Festelektrolyten können beispielsweise aus Keramik, Glas oder Polymeren bestehen.

Generell gebe es konzeptionelle Feststoffbatterien schon seit über 10 Jahren. „Die große Herausforderung ist die Herstellung im industriellen Maßstab, etwa für die Elektromobilität. Man braucht Zellen und Elektroden-Komponenten, die mindestens genauso gut und energiereich sind wie bei konventionellen Batterien“, erklärt Jahn.

Vor allem aber der Zusammenbau von Kathode, Anode und Festelektrolyt sei noch herausfordernd. Laut dem Forscher erweise sich unter anderem die Kompatibilität der Komponenten als schwieriger als bei konventionellen Batterien. Zwar sollen einige Hersteller von Feststoffbatterien Berichten zufolge kurz vor dem Durchbruch stehen – bis jedoch ein leistbares Produkt verfügbar ist, das im Großmaßstab hergestellt werden kann, werde es dem Experten zufolge voraussichtlich noch mindestens fünf Jahre dauern. 

Keine Pauschallösung

Gerade im Bereich der Elektromobilität müsse man zahlreiche Zulassungsverfahren und Tests durchlaufen, bis eine neue Technologie aufgenommen und serienmäßig in ein Fahrzeug untergebracht wird. „Das dauert weitere 2, 3 Jahre“, sagt Jahn. 

Trotz ihrer aussichtsreichen Eigenschaften wird die Feststoffbatterie jedenfalls keine Pauschallösung sein. Laut Jahn hänge die eingesetzte Technologie teilweise vom jeweiligen Sektor ab. „In der Elektromobilität könnten etwa Natrium-Ionen eine Renaissance erleben. Denn der Vorteil von Natrium ist, dass es sich dabei nicht um einen kritischen Rohstoff handelt“, sagt der Fachmann. Auch käme ein ähnliches Verfahren wie bei Lithium-Ionen zur Anwendung – „man kennt die Technologie also schon gut“. 

Magnesium und Redox-Flow-Batterien

Daneben sei auch Magnesium aufgrund seiner breiten Verfügbarkeit als nachhaltigere Ressource im Gespräch, welches Lithium-Ionen in 10 bis 15 Jahren ersetzen könnte. Zusätzlich habe Magnesium mehr Energiespeicherpotenzial als Lithium. 

Im stationären Speicherbereich seien hingegen sogenannte Redox-Flow-Batterien erfolgversprechend. Bei diesem Flüssigspeichersystem wird bei der Entladung gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt.

Die ideale Batterie, die energiereich, sicher, günstig und nachhaltig ist, sich einfach recyceln lässt, überall verfügbar und für jede Anwendung geeignet ist, wird sich laut Jahn in absehbarer Zukunft jedenfalls nicht umsetzen lassen. Denn je mehr Energie in eine Zelle hineingepackt werde, umso eher dränge sich das Thema Sicherheit in den Vordergrund. „Umgekehrt kann ich weniger auf den Kostenfaktor setzen, je komplexer die Batterie wird.“  Sehr wohl kann man aber an einzelnen wesentlichen Schrauben wie Sicherheit, Nachhaltigkeit und Energiedichte drehen.

Dieser Artikel entstand im Rahmen einer Kooperation zwischen AIT und futurezone.

Intelligente Zellen für Fahrzeuge

Intelligente Batteriezellen („Smart Cells“) können sich selbst laden, die restliche Laufzeit vorhersagen und Informationen über Temperatur oder Spannung liefern. Sie sind mit Temperatur-, Druck- und anderen Sensoren ausgestattet, welche ihren Gesundheitszustand permanent überwachen. 

Ist dieser kritisch, können Smart Cells dies signalisieren oder reagieren: „Ist der Innenwiderstand zu hoch oder eine gewisse Spannung überschritten, können die Sensoren Alarm schlagen oder entgegensteuern“, sagt der Batterieforscher Marcus Jahn vom AIT Austrian Institute of Technology.  

Mehr Reichweite

Besonders in der Automobilindustrie sind sie vielversprechend. „Je besser ich den Gesundheitszustand vorhersehen kann, desto mehr Kontrolle habe ich über die Sicherheit“, sagt Jahn. Dadurch könne man die Zelle besser ausnutzen. Gerade bei Zellen in Fahrzeugen nutze man nur 70 bis 80 Prozent ihrer Energie, damit sie nicht überladen oder tiefentladen wird. „Wenn ich aber besser weiß, wie es meiner Zelle geht, kann ich den Sicherheitsrahmen erweitern oder verringern und bis zu 90 Prozent der Energie nutzen“, sagt Jahn.

Dem/r Fahrer*in steht also mehr Reichweite im E-Auto zur Verfügung. Laut dem Forscher gebe es bereits mehrere Prototypen von Smart Cells – die Durchführung der Studien am AIT werde noch 2 bis 3 Jahre dauern.

Kosten-Nutzen-Faktor

Unter anderem sollen die Studien Aufschluss über den Kosten-Nutzen-Faktor der Smart Cells geben. Zudem sollen sie zeigen, ob alle Zellen in einem Fahrzeug Smart Cells sein müssen, oder wenige smarte Zellen bereits ausreichend viele Daten liefern.

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Andreea Iosa

Andreea Iosa beschäftigt sich mit neuesten Technologien und Entwicklungen in der Forschung – insbesondere aus Österreich – behandelt aber auch Themen rund um Raumfahrt sowie Klimawandel.

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