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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Festkörperbatterien

Ziel der Entwicklung sind neue, bessere Batterietypen für stationäre und mobile Anwendungen mit robuster Langzeitstabilität bei stochastischen Lade- und Entladevorgängen.

Im Mittelpunkt der Forschung und Entwicklung stehen derzeit Lithium-Festkörperbatterien. Berücksichtigt man den aktuellen Stand der Festkörper-Batterieforschung, der sich bisher an Batterien für Mikrochip- und leistungsschwache Medizinanwendungen im Millimetermaßstab orientiert hat und betrachtet den benötigten Speicherbedarf an Energie in der Energiewirtschaft von mehreren Gigawattstunden, so wird deutlich, dass es auf diesem Gebiet eine vollständige Neuorientierung in der Batteriefor­schung bedarf. Potenziell besitzen die Lithium-Festkörperbatterien bereits heute die erforderliche gravimetrische Leistungs- und Energiedichte, um die notwendige Speicherkapazität zu erbringen und um den neuen Anwendungsfeldern Elektromobilität und Netzspeicherung gerecht zu werden. Bisher sind jedoch die aktiven Flächen auf etwa 2 x 2 cm2 beschränkt, da größere Flächen die derzeitigen Anwendungsgebiete nicht notwendig machten. Während heute noch völlig unklar ist, wie man mit gegenwärtigen Lithium-Ionen-Batterien größere Energiedichten als 200 Wh/kg erreichen kann, bieten die Dünnschicht-Festkörperbatterien eine große Chance, durch Hochskalieren der Elektrodenfläche und Verbesserung des Elektrolytmaterials die notwendigen Energiedichten zu erreichen. Da diese Dünnschicht-Festkörperbatterien bereits durch ihren Aufbau Analogien zu Superkondensatoren aufweisen, ist es nicht verwunderlich, dass auch die Ladungs- oder Leistungsdichten ähnliche Werte aufweisen.

Die aktuellen werkstoffwissenschaftlichen Arbeiten fokussieren sich auf metallische Anoden- und keramische Elektrolyt- und Kathodenwerkstoffe, d. h. Oxidkeramiken mit definierter elektronischer und ionischer Leitfähigkeit.

Für die Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung stehen diverse bildgebende und physikalische Methoden zur Verfügung. Komplettiert wird die Wissenskette durch Kooperation mit anderen Instituten durch elektrochemische Meßmethoden an Zellen, Modulen oder Hybridsystemen unter labortechnischen und anwendungsnahen Bedingungen sowie im realen Betrieb.

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