Uni­ver­si­tät Bay­reuth lei­tet neu­es BMBF-Pro­jekt zu Festkörperbatterien

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Hohe Ener­gie­dich­te, nach­hal­ti­ge Produktion

Im Clu­ster-Netz­werk „For­schungs­fa­brik Bat­te­rie“ des Bun­des­mi­ni­ste­ri­ums für Bil­dung und For­schung (BMBF) ist die Uni­ver­si­tät Bay­reuth jetzt auch am Kom­pe­tenz­clu­ster „Fest­kör­per­bat­te­rien – Fest­Batt“ betei­ligt. Ein neu­es, von Bay­reuth aus koor­di­nier­tes For­schungs­pro­jekt ver­folgt das Ziel, die Ener­gie­dich­te von wie­der­auf­lad­ba­ren Fest­kör­per­bat­te­rien deut­lich zu erhö­hen und die Pro­duk­ti­on die­ser Bat­te­rien nach­hal­ti­ger zu gestal­ten. Hier­für ist die Pul­ver­ae­ro­sol­de­po­si­ti­ons­me­tho­de (PAD) ein aus­sichts­rei­ches Ver­fah­ren, das künf­tig für die Beschich­tung von Katho­den und Fest­elek­tro­ly­ten ein­ge­setzt wer­den soll. For­schungs­part­ner sind die Uni­ver­si­tät des Saar­lan­des und das Karls­ru­her Insti­tut für Technologie.

Mit der Pulveraerosoldepositionsmethode (PAD) erzeugte Keramikschicht auf einer porösen gasdurchlässigen Elektrode. Bild: Jörg Exner.

Mit der Pul­ver­ae­ro­sol­de­po­si­ti­ons­me­tho­de (PAD) erzeug­te Kera­mik­schicht auf einer porö­sen gas­durch­läs­si­gen Elek­tro­de. Bild: Jörg Exner.

Wie­der­auf­lad­ba­re Bat­te­rien mit einem Fest­elek­tro­ly­ten ver­spre­chen im Ver­gleich zu Zel­len mit flüs­si­gen Elek­tro­ly­ten eine erhöh­te Sicher­heit. Zugleich erscheint es mög­lich, ihre Ener­gie­dich­te signi­fi­kant zu stei­gern. Die größ­te Her­aus­for­de­rung für eine indu­stri­el­le Pro­duk­ti­on von Fest­kör­per­bat­te­rien mit hoher Ener­gie­dich­te liegt dar­in, Katho­den und Elek­tro­ly­te her­zu­stel­len, die aus fei­nen kera­mi­schen Schich­ten auf­ge­baut sind. Als effi­zi­en­tes Ver­fah­ren zur Her­stel­lung sol­cher Schich­ten hat sich in den letz­ten Jah­ren die Pul­ver­ae­ro­sol­de­po­si­ti­ons­me­tho­de (Pow­der Aero­sol Depo­si­ti­on, PAD) eta­bliert. Mit die­sem Sprüh­ver­fah­ren las­sen sich dich­te Kera­mik­schich­ten auf sehr ver­schie­de­ne Arten von Mate­ria­li­en auf­brin­gen, bei­spiels­wei­se auf Stahl, Glas, Sili­zi­um oder Kunst­stoff. Wie hoch die ent­ste­hen­den Schich­ten im Ein­zel­nen sind, lässt sich im Vor­aus exakt fest­le­gen. In der Regel sind sie zwi­schen 0,5 und 50 Mikro­me­ter dünn. Zum Ver­gleich: Ein Haar eines Men­schen misst etwa 60 Mikro­me­ter. Die Beschich­tung kann bei Raum­tem­pe­ra­tur durch­ge­führt wer­den, ist kosten­gün­stig und ver­braucht nur wenig Ener­gie. Daher ist die PAD eine nach­hal­ti­ge Metho­de und inso­fern auch ein Bei­trag auf dem Weg zur „grü­nen Batterie“.

Schema der Pulveraerosoldepositionsmethode (PAD). Bild: UBT.

Sche­ma der Pul­ver­ae­ro­sol­de­po­si­ti­ons­me­tho­de (PAD). Bild: UBT.

„Fest­kör­per­bat­te­rien – Fest­Batt“ ist bereits das fünf­te Kom­pe­tenz­clu­ster des Netz­werks „For­schungs­fa­brik Bat­te­rie“, an dem die Uni­ver­si­tät Bay­reuth mit einem eige­nen Pro­jekt betei­ligt ist. Die Gesamt­lei­tung die­ses Vor­ha­bens mit dem Akro­nym „AdBatt“ („Aero­sol­de­po­si­ti­on zur Her­stel­lung von Bat­te­rien mit gra­dier­ter Katho­de“) liegt bei Prof. Dr.-Ing. Ralf Moos, Inha­ber des Lehr­stuhls für Funk­ti­ons­ma­te­ria­li­en an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth. Gemein­sam mit sei­nem For­schungs­team hat er in den letz­ten Jah­ren die Wei­ter­ent­wick­lung und Opti­mie­rung der PAD vor­an­ge­trie­ben. „Die Pul­ver­ae­ro­sol­de­po­si­ti­ons­me­tho­de ist ein lei­stungs­star­kes und zugleich umwelt­freund­li­ches Ver­fah­ren. Wir wol­len es jetzt gemein­sam mit unse­ren Part­nern in Karls­ru­he und Saar­brücken ein­set­zen, um im Bereich der Fest­kör­per­bat­te­rien eine volu­metri­sche Ener­gie­dich­te von 1.150 Wh/​l zu rea­li­sie­ren“, sagt der Bay­reu­ther Inge­nieur­wis­sen­schaft­ler. Ein wich­ti­ger Aspekt der For­schungs­ar­bei­ten ist die Ent­wick­lung eines Ver­fah­rens, das es ermög­licht, Katho­den mit varia­blen Antei­len unter­schied­li­cher Mate­ri­al­ty­pen her­zu­stel­len. Hier­zu zäh­len das Katho­den­ak­tiv­ma­te­ri­al, das Fest­elek­tro­lyt­pul­ver und elek­tro­nisch leit­fä­hi­ge Additive.

Zugleich nimmt sei­tens der Uni­ver­si­tät Bay­reuth auch der Lehr­stuhl Elek­tri­sche Ener­gie­sy­ste­me, gelei­tet von Prof. Dr.-Ing. Micha­el Dan­zer, am neu­en Vor­ha­ben teil. Im Fokus der For­schungs­ar­bei­ten ste­hen das elek­tro­che­mi­sche Ver­hal­ten von gra­dier­ten Elek­tro­den mit Fest­elek­tro­lyt, aber auch die Rah­men­be­din­gun­gen eines siche­ren Bat­te­rie­be­triebs. Hier­für müs­sen für die Para­me­ter Tem­pe­ra­tur, Druck und Strom­dich­te geeig­ne­te Betriebs­wer­te und ‑gren­zen fest­ge­legt wer­den. „Von zen­tra­ler Bedeu­tung unse­rer For­schungs­ar­bei­ten sind eine präzise Model­lie­rung und eine effi­zi­en­te Simu­la­ti­on elek­tro­che­mi­scher Pro­zes­se, ins­be­son­de­re im Hin­blick auf die Wech­sel­wir­kun­gen zwi­schen Elek­tro­lyt, Elek­tro­de und Voll­zel­le. Auf die­ser Basis wer­den wir das Design der von uns ange­streb­ten gra­dier­ten Fest­kör­per­bat­te­rien schritt­wei­se opti­mie­ren kön­nen“, sagt Dan­zer, der auch Lei­ter des Baye­ri­schen Zen­trums für Bat­te­rie­tech­nik (Bay­Batt) an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ist.

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