Der nächste Schritt auf dem Weg zur Batterie der Zukunft
Das Verbundprojekt FB2-Oxide im Kompetenzcluster für Festkörperbatterien „FestBatt“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung geht in die zweite Förderphase.
30. November 2021 – Mehr Sicherheit, größere Speicherkapazitäten, kürzere Ladezeiten – die Weiterentwicklung von Batterien für verschiedenste Anwendungsfelder ist mit großen Erwartungen verbunden. Das Konzept der Festkörperbatterie gilt als mögliche Weiterentwicklung der heute gängigen Lithiumionenbatterien mit flüssigen Elektrolyten. Festkörperbatterien kommen ohne solche brennbaren Bestandteile aus und versprechen höhere Energiedichten sowie kürzere Ladezeiten. Sie erfahren daher international heute großes Interesse, das von zahlreichen Ankündigungen industrieller Akteure verstärkt wird. Allerdings sind eine Reihe von wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen auf dem Weg zum kommerziellen Erfolg und zur Massenproduktion von Festkörperbatterien noch ungelöst.
Hier setzt der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Kompetenzcluster FestBatt an, an dessen erster Förderphase mehr als 100 Forscherinnen und Forschern beteiligt waren. Diese haben in einem ersten Schritt erfolgreich die wissenschaftlichen Grundlagen der Synthese von Festelektrolyten als Kernkomponente von Festkörperbatterien erarbeitet. Im Mittelpunkt der zweiten Phase steht nun die Entwicklung von Zellkomponenten und ganzen Festkörperbatteriezellen auf der Basis dieser Elektrolyte und der dafür notwendigen Material- und Prozesstechnologie. Hierfür setzt das BMBF die Förderung des Kompetenzclusters „FestBatt“ ab November 2021 mit insgesamt rund 23 Millionen Euro für drei Jahre fort. Insgesamt 17 wissenschaftliche Einrichtungen – hierunter Universitäten, Helmholtz-Zentren sowie Institute der Fraunhofer-Gesellschaft und der Max-Planck-Gesellschaft – sind an dem Kompetenzcluster beteiligt, das vom Zentrum für Materialforschung (ZfM) der Justus-Liebig-Universität Gießen koordiniert wird.
Oxide
Das Kompetenzcluster „FestBatt“ besteht in der zweiten Phase aus neun Verbundprojekten. Dazu zählt auch das Verbundprojekt FB2-Oxide, an dem Forschende des Instituts für Energie- und Klimaforschung (IEK-1) des Forschungszentrums Jülich, des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) und der Technischen Universität München (TUM) beteiligt sind. Sie fokussieren sich auf die Entwicklung von oxidkeramischen Batteriezellen und werden dafür mit mehr als 2 Millionen Euro vom BMBF gefördert. Die benötigen Festkörperelektrolyt- und Aktivmaterialien werden über skalierbare Verfahren hergestellt und gezielt an die Anforderungen in Festkörperbatterien angepasst. Die Weiterverarbeitung der keramischen Bestandteile zu Batteriezellen erfolgt über innovative Herstellungsverfahren basierend auf Foliengießen, neue Sintertechnologien und Laserabscheidung. Koordiniert wird die Zellplattform Oxide von Prof. Dr. Olivier Guillon, Direktor des IEK-1 am Forschungszentrum Jülich.
Polymere und Hybride
Polymer- und Hybridelektrolyte weisen aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften, Verarbeitbarkeit und nachgewiesenen Anwendungsfähigkeit ein großes Potential für Festkörperbatterien auf. Aufbauend auf der Materialentwicklung in der ersten Projektphase von FestBatt werden im Verbundprojekt FB2-Poly (Fördervolumen 3,2 Millionen Euro) Batteriezellkonzepte auf Polymerelektrolytbasis entwickelt. Daran sind Forschende des Helmholtz-Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich, des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU), des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) sowie der Hochschule Landshut (HAWL) beteiligt. Zu den Themen in FB2-Poly gehört die Optimierung und Erweiterung der stofflichen Basis, insbesondere hinsichtlich Schnellladefähigkeit und Senkung der Betriebstemperatur der Zellen. Konzepte für Polymer-basierte Batteriezellen mit Lithiummetall-Anode oder in „anodenfreier“ Variante werden im Einfach- oder Mehrschichten-Ansatz unter Einbeziehung „hybrider“ Zellen und Materialien umgesetzt.
Im Verbundprojekt „FB2-Hybrid“ (Fördervolumen 2 Millionen Euro) werden die Vorteile der verschiedenen Festkörperklassen in Form von Hybridelektrolyten vereint. Dazu arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Helmholtz-Instituts Münster sowie des Instituts für Energie- und Klimaforschung (IEK-1) des Forschungszentrums Jülich, des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Universität Duisburg-Essen (UDE), der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU), der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) sowie des Fraunhofer-Instituts für Siliziumtechnologie (ISIT) in Itzehoe zusammen. Hybride ermöglichen beispielsweise den Betrieb von Festkörperelektrolyten ohne zusätzlichen äußeren Druck. Die Verbundprojekte FB2-Poly und FB2-Hybrid werden von Prof. Dr. Martin Winter und PD Dr. Gunther Brunklaus vom Helmholtz-Institut Münster koordiniert.
FestBatt wird von Prof. Dr. Jürgen Janek vom Zentrum für Materialforschung der Justus-Liebig-Universität Gießen koordiniert. Das Projekt ist Teil des Dachkonzepts „Forschungsfabrik Batterie“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), dessen Ziel es ist, die technologische Souveränität Deutschlands in der Batterietechnologie zu sichern.