Neu­es Ver­bund­pro­jekt an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth: Siche­re High-Tech-Bat­te­rien für Elek­tro­au­tos und Laptops

Campusrondell der Universität Bayreuth
Campusrondell der Universität Bayreuth. Foto: © UBT

Lithi­um-Ionen-Bat­te­rien sind der­zeit die wich­tig­sten elek­tri­schen Ener­gie­spei­cher. Die Betriebs­si­cher­heit hängt dabei ent­schei­dend von Sepa­ra­to­ren ab, die für eine räum­li­che Tren­nung der Elek­tro­den sor­gen. Mit dem Ziel, die Sicher­heit von High-Tech-Bat­te­rien wei­ter zu erhö­hen und zugleich ihre Lebens­dau­er zu ver­län­gern, wird die Uni­ver­si­tät Bay­reuth gemein­sam mit nam­haf­ten Indu­strie­part­nern neu­ar­ti­ge Sepa­ra­to­ren aus Glas ent­wickeln. Das Ver­bund­pro­jekt „Glas-Sepa­ra­to­ren für Lithi­um-Ionen-Bat­te­rien (Glas­Se­LIB)“ star­tet am 1. März 2021 und wird von der Baye­ri­schen For­schungs­stif­tung in den näch­sten drei Jah­ren mit mehr als 375.000 Euro gefördert.

An der Universität Bayreuth entwickelter Glasseparator für Lithium-Ionen-Batterien. Für einen großtechnischen Einsatz muss die Dicke nochmals deutlich gesenkt werden. Foto: UBT/Uli Schadeck.

An der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ent­wickel­ter Glas­se­pa­ra­tor für Lithi­um-Ionen-Bat­te­rien. Für einen groß­tech­ni­schen Ein­satz muss die Dicke noch­mals deut­lich gesenkt wer­den. Foto: UBT/​Uli Schadeck.

Koor­di­na­tor des Ver­bund­pro­jekts ist das Key­Lab Glas­tech­no­lo­gie der Uni­ver­si­tät Bay­reuth, das am Lehr­stuhl Kera­mi­sche Werk­stof­fe ange­sie­delt ist. For­schungs­part­ner sind der Lehr­stuhl für Werk­stoff­ver­fah­rens­tech­nik an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth sowie vier Unter­neh­men: die Fül­ler Glas­tech­no­lo­gie GmbH, die Vitru­lan Glass Tex­ti­le GmbH, die Var­ta Micro­bat­te­ry GmbH und die Tes­la Ger­ma­ny GmbH am Stand­ort Mün­chen. Die For­schungs­ar­bei­ten wer­den in enger Koope­ra­ti­on mit dem Baye­ri­schen Zen­trum für Bat­te­rie­tech­nik (Bay­Batt) durch­ge­führt, einer zen­tra­len wis­sen­schaft­li­chen Ein­rich­tung der Uni­ver­si­tät Bayreuth.

Bei den ange­streb­ten neu­en Sepa­ra­to­ren han­delt es sich um fili­gra­ne Glas­mem­bra­nen. Im Unter­schied zu bis­he­ri­gen Sepa­ra­to­ren besit­zen sie eine her­vor­ra­gen­de Tem­pe­ra­tur­be­stän­dig­keit bis min­de­stens 500 Grad Cel­si­us. Mit ihrer Hil­fe wird es mög­lich sein, die Betriebs­si­cher­heit von Bat­te­rien in Elek­tro­fahr­zeu­gen, Lap­tops, Smart­pho­nes und zahl­rei­chen ande­ren High-Tech-Anwen­dun­gen wei­ter zu erhö­hen. Zugleich sol­len die neu­en Sepa­ra­to­ren die Alte­rung der Bat­te­rie­zel­len ver­lang­sa­men. Hier­für muss eine spe­zi­el­le Glas­zu­sam­men­set­zung ent­wickelt wer­den, die sich durch eine hohe che­mi­sche Akti­vi­tät aus­zeich­net. Aller­dings sind die­se Vor­tei­le nur gege­ben, wenn es gelingt, extrem dün­ne Mem­bra­nen her­zu­stel­len. „Eine Redu­zie­rung der Glas­mem­bra­nen auf unter 20 Mikro­me­ter ist für uns eine gro­ße fer­ti­gungs­tech­ni­sche Her­aus­for­de­rung. Sie ist aber zwin­gend erfor­der­lich, um zu gewähr­lei­sten, dass die Betriebs­si­cher­heit von Bat­te­rien steigt oder zumin­dest erhal­ten bleibt, falls künf­ti­ge Inno­va­tio­nen ihre Lei­stungs­fä­hig­keit – bei­spiels­wei­se ihre Spei­cher­ka­pa­zi­tät – signi­fi­kant erhö­hen“, sagt Pro­jekt­lei­ter Prof Dr.-Ing. Thor­sten Ger­des vom Key­lab Glastechnologie.

Um sicher­zu­ge­hen, dass die in Bay­reuth ent­wickel­ten Glas­mem­bra­nen die an sie gestell­ten Anfor­de­run­gen auch tat­säch­lich erfül­len, wer­den sie in den Labo­ra­to­ri­en der Indu­strie­part­ner Var­ta und Tes­la gete­stet. “Die enge Zusam­men­ar­beit im Ver­bund­pro­jekt ist dar­auf aus­ge­rich­tet, dass wir in drei Jah­ren über neu­ar­ti­ge Sepa­ra­to­ren ver­fü­gen, die einen betriebs­si­che­ren Ein­satz von Lithi­um-Ionen-Bat­te­rien in der High-Tech-Elek­tro­nik gewähr­lei­sten“, sagt Gerdes.

Prof. Dr.-Ing. Thorsten Gerdes. Foto: UBT.

Prof. Dr.-Ing. Thor­sten Ger­des. Foto: UBT.

Bis­lang wer­den in der Regel mikro­po­rö­se Poly­mer­fo­li­en als Sepa­ra­to­ren in Lithi­um-Ionen-Bat­te­rien ver­wen­det, die bei einer Über­hit­zung der Zel­le rasch insta­bil wer­den. Zudem ist ihre ioni­sche Leit­fä­hig­keit im Elek­tro­ly­ten gering. Um die Nut­zungs­zei­ten trag­ba­rer End­ge­rä­te immer wei­ter zu ver­län­gern oder die Reich­wei­ten von Elek­tro­fahr­zeu­gen zu ver­grö­ßern, sehen sich die Her­stel­ler von Bat­te­rie­zel­len heu­te gezwun­gen, den Anteil che­misch akti­ver Mate­ria­li­en zu erhö­hen und den Anteil che­misch pas­si­ver Mate­ria­li­en zu ver­rin­gern. Dies aber ist pro­ble­ma­tisch, falls es sich – wie bei den Poly­mer­fo­li­en – um sicher­heits­re­le­van­te Mate­ria­li­en han­delt. Die dar­aus ent­ste­hen­den Risi­ken las­sen sich jedoch von vorn­her­ein ver­mei­den, wenn dün­ne Glas­mem­bra­nen die Poly­mer­fo­li­en erset­zen. Wenn das Pro­jekt erfolg­reich ist, wer­den die neu­en Glas­mem­bra­nen Lithi­um-Ionen-Bat­te­rien noch siche­rer und lei­stungs­fä­hi­ger machen.