Projekt zu Feststoffbatterien gestartet: Prototypen in zwei Jahren

Deutlich höhere Speicherkapazität, sicherer Betrieb und Langlebigkeit: Das versprechen sich Industrie und Forschung von künftigen Feststoffbatterien im Vergleich zu konventionellen Lithium-Ionen-Batterien. Ein Verbund, an dem die UDE maßgeblich beteiligt ist, hat sich zum Ziel gesetzt, Prototypen bis hin zum Pilotmaßstab zu realisieren. Das entscheidende Anodenmaterial entstand im Institut für Energie- und Materialprozesse der Uni. Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt* für zwei Jahre mit 1,7 Mio. Euro.

Feststoffbatterien sind in ihrem Aufbau mit konventionellen Lithium(Li)-Ionen-Batterien vergleichbar. Der namensgebende Unterschied ist der feste Elektrolyt anstelle einer flüssigen Variante. Drei entscheidende Vorteile gehen damit einher: (1) Feststoffbatterien sind kleiner und daher gut geeignet für den Einsatz in der E-Mobilität, (2) da keine organischen Verbindungen im Elektrolyten vorkommen, enthalten sie deutlich weniger brennbares Material, und (3) sie kommen ohne umweltschädliche perfluorierte Verbindungen aus – also ohne sogenannte Ewigkeitschemikalien, die kaum abbaubar sind und sich in Gewässern und Böden ansammeln.

Aktuell werden Feststoffbatterien erst in wenigen Nischenanwendungen eingesetzt – das will der Projektverbund FB2-SiSuFest unter der Leitung der Universität Münster ändern. Das Ziel: Anodenmaterial zu nutzen, das im Pilotmaßstab hergestellt werden soll, um damit realistische Prototyp-Zellen zu entwickeln. Die Voraussetzungen dafür bieten die Nanopartikelsyntheseanlagen im NanoEnergieTechnikZentrum der Universität Duisburg-Essen (UDE).

Zur sicheren Speicherung des Lithiums nutzen die Wissenschaftler:innen um Prof. Dr. Hartmut Wiggers als Anodenmaterial amorphe Partikel aus modifiziertem Siliziumnitrid (SiN_x). „Dieses Funktionsmaterial haben wir entwickelt, indem wir dessen Eigenschaften analysiert und zugrundeliegende Mechanismen für den Lade- und Entladevorgang aufgeklärt haben“, so Wiggers. „Daraus haben wir die Erkenntnis gewonnen, dass die besondere Struktur der Partikel für eine sehr schnelle Verteilung des Lithiums im Speichermaterial sorgt.“ Auch die Volumenzunahme um das Dreifache, die bei der Verwendung von reinem Silizium als Anodenmaterial auftritt, kann das Material weitestgehend kompensieren und dabei noch eine hervorragende Leitfähigkeit sicherstellen.

Neben der Skalierung der Herstellung werden die Wissenschaftler:innen der UDE zwei weitere Fragen innerhalb des Projekts bearbeiten: Was ist die ideale Partikelgröße für das Anodenmaterial? Und: Wie sieht das optimale Si-zu-N-Verhältnis aus? Parallel entwickeln Forschende an der Universität Münster sowie der Justus-Liebig-Universität Gießen den Festelektrolyten; die Vollzellen entstehen in den Laboren des Fraunhofer Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden.
* Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert FB2-SiSuFest innerhalb der Förderrichtlinie Clusters Go Industry als Teil des FestBatt-Clusters.

Im Bild: Blick auf Teile der Nanopartikelsyntheseanlage im NanoEnergieTechnikZentrum der UDE.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Hartmut Wiggers, Institut für Energie- und Materialprozesse (EMPI), Tel. 0203/37 9-8087, hartmut.wiggers@uni-due.de

Redaktion: Birte Vierjahn, Tel. 0203/37 9-2427, birte.vierjahn@uni-due.de

https://www.uni-due.de/2024-01-29-feststoffbatterien-prototypen-in-zwei-jahren