Hochenergie- und Hochleistungsbatterien

Experten sind sich einig, dass Lithium-Ionen-Batterien die kommenden 20 Jahre den Markt dominieren werden. Sie gehen davon aus, dass diese Systeme evolutionär weiterentwickelt werden. Ein wichtiger Trend liegt derzeit in der Erforschung und Entwicklung von wiederaufladbaren Batteriesystemen, die deutlich höhere Energie- und Leistungsdichten aufweisen als gängige Lithium-Ionen-Batterien. Einige neue Materialien und Batterietypen wurden bereits identifiziert. Der Einsatz der neuen Materialien in Batteriezellen und die Anpassung bzw. Neuentwicklung von Produktionsschritten stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler derzeit aber noch vor große Herausforderungen.

Das hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) frühzeitig erkannt. Aus diesem Grund hat das Ministerium einen Schwerpunkt auf die Material- und Prozesstechnik für solche Systeme gelegt und fördert Forschungs- und Entwicklungsvorhaben aus diesem Bereich in Batterie 2020. Neben den Materialien sollen auch ­die kompletten Zellsysteme und Prozessentwicklungen sowie deren gegenseitige Beeinflussung betrachtet werden.

Um die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen – und damit die Reichweite von Elektroautos –, müssen nicht zwangsläufig neue Aktivmaterialien eingesetzt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Anteil elektrochemisch inaktiver Zellkomponenten wie Separatoren, Stromableitern und Elektrolyten zu verringern. Aus diesem Grund wird auf Zellebene versucht, mehr Aktivmaterial auf die Stromableiter aufzutragen. Ziel ist es, auf diese Weise in den Elektroden mehr Energie zu speichern, sodass weniger Zellen und damit auch weniger Inaktivmaterialien benötigt werden.

Solche sogenannten Dickschichtelektroden sind technologisch noch nicht ausgereift. Eine aktuelle Herausforderung besteht darin, dass die Lithium-Ionen nicht schnell genug durch das Material transportiert werden können und es deshalb zu Leistungseinbußen kommt.

Ein Lösungsansatz ist, dem Silicium Raum zum „Atmen” zu geben, wenn es Lithium-Ionen aufnimmt und abgibt.

Ein weiterer Ansatz, die Volumenänderung des Siliciums zu kompensieren, ist im Labormaßstab bereits vorhanden. Man setzt nicht reines Silicium als Anodenmaterial ein, sondern Komposite aus Silicium (Si) und Kohlenstoff (C). Dieses Verbundmaterial besitzt Eigenschaften, die sich von denen der Grundbestandteile wesentlich unterscheiden. Dabei dient Kohlenstoff als Abstandshalter und elektrischer Leiter zwischen den Silicium-Partikeln. Somit kann die hohe Speicherkapazität des Siliciums genutzt und gleichzeitig eine erheblich verbesserte Lebensdauer erzielt werden.

Bislang enthalten Lithium-Ionen-Batterien neben den festen Komponenten, wie den Elektroden, dem Separator und dem Gehäuse, immer eine flüssige Komponente: den Elektrolyten. Durch ihn wandern die Lithium-Ionen, wenn Sie beim Be- und Entladen zwischen den Elektroden ausgetauscht werden. Schon seit langer Zeit versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Festkörperelektrolyten in diese Batterien zu integrieren, sodass sie keine flüssigen Komponenten mehr enthalten. Sie erhoffen sich dadurch erhöhte Sicherheit, Langlebigkeit und vor allem höhere Energiedichten. Der Festkörperansatz bietet nämlich die Möglichkeit, neue Zellkonzepte zu realisieren und so den Anteil an elektrochemisch inaktiven Komponenten und den aufwändigen Verschaltungen zu minimieren. Die Einführung solcher Festkörperelektrolyte in Lithium-Ionen-Batterien bringt aber auch viele neue Herausforderungen mit sich.

Lithium-Metall-Anoden gelten als Schlüsselelement für Festkörperbatterien, da sie die volumen- und massebezogenen Energiedichten signifikant erhöhen können. Aktuell etablierte Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien – wie Graphit – basieren auf einem sogenannten Wirtsgitter, in das Lithium ein- und ausgelagert wird. Bei Lithium-Metall-Anoden wird hingegen auf dieses Gitter verzichtet, sodass Volumen und Gewicht eingespart werden.

In Lithium-Ionen-Primärzellen werden bereits heute Lithium-Metall-Anoden verwendet. In sekundären Batteriezellen ist dies jedoch die Ausnahme, da beim Aufladen der Batterie unerwünschte Prozesse wie das Dendritenwachstum auftreten. Dabei handelt es sich um eine astförmige Abscheidung von Lithium auf der Elektrodenoberfläche, die zu einem Kurzschluss der Batteriezelle führen kann. Damit Lithium-Metall-Anoden in sekundären Batteriezellen etabliert werden können, bedarf es daher Lösungen, um diese Prozesse zu unterbinden – etwa durch spezielle Beschichtungen. Darüber hinaus existieren auch prozesstechnische Herausforderungen. Diese liegen etwa darin, dünne Lithium-Metall-Anoden herzustellen und diese unter Luft- und Wasserausschluss so zu handhaben, dass ungewollte Passivierungsreaktionen vermieden werden.