Polymer-basierte Lithium-Festkörperbatterien

Die Speicherung elektrischer Energie in wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien umfasst ein breites Anwendungsspektrum an mobilen, stationären und tragbaren Systemen. Insbesondere die Elektromobilität (PKW, Fahrräder, Nahverkehrsbusse) ist eine wesentliche Säule zur Reduzierung des Verbrauchs fossiler Energieträger im Verkehr und zur Verbesserung der Luftqualität. Lithium-Ionen-Batterien gelten aktuell als beste, jedoch nicht optimale Lösung für viele der genannten Anwendungen. Es gibt Verbesserungsbedarf bei Energiedichte, Ladezeit und Kosten. Deshalb arbeiten Forschung und Industrie an fortschrittlicheren Batterietechnologien.

Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien basieren auf flüssigen Elektrolyten mit organischen Lösungsmitteln. Im Fall von Beschädigung, Überladung oder Überhitzung kann die Zündtemperatur des organischen Elektrolyten überschritten und ein Brand des Akkus ausgelöst werden. Batterien auf Basis eines nicht-brennbaren Festelektrolyten, sogenannte Festkörperbatterien, gelten derzeit als aussichtsreiche Weiterentwicklung. Neben einer erhöhten Betriebssicherheit verspricht die Lithium-Festkörperbatterie je nach Zellaufbau Verbesserungen hinsichtlich Energiedichte und Schnellladefähigkeit.

Bisher fokussierte sich die Entwicklung von Festkörperbatterien oft auf Zelldesigns, bei denen der Festelektrolyt mit der Kathode gesintert wird. Dadurch fehlen leitfähige Additive und Binder in den Elektroden, was die Zellleistung begrenzt. Zudem sind genutzte Herstellungsverfahren meist langsam und nicht skalierbar. Im aktuellen Projekt entwickelt das Fraunhofer IKTS gemeinsam mit der Universität Duisburg-Essen eine leistungsfähige Lithium-Festkörperbatterie mit neuer Architektur, deren Elektroden auf handelsüblichen Produktionsanlagen gefertigt werden können. Dabei sollen die drei verschiedenen Suspensionen für Kathode, Festelektrolyt und Anode direkt in einem Schritt mit Hilfe einer Dreifachschlitzdüse übereinander aufgebracht werden, sodass nur ein Trocknungsprozess nötig ist. Als Kathodenmaterial dient NCM (LiNixCoyMnzO2), das sich besonders für Anwendungen mit hohem Energiebedarf eignet. Die Anode besteht aus Graphit. Geplant ist zudem die Entwicklung eines hybriden Polymerelektrolyten mit hoher Leitfähigkeit, der ebenfalls mittels Schlitzdüse aufgebracht werden kann.

• Projekt: Entwicklung eines innovativen Fertigungsverfahrens für Polymer-basierte Festelektrolyt Lithiumionen-Batterien – PoliBat
• Laufzeit: November 2025 bis August 2028
• Förderung: IGF | DLR / IUTA             
• Förderkennzeichen (FKZ): 01IF24683N
• Projektpartner: Universität Duisburg-Essen