Mobilität Sicherer und weiter: E-Autos der Zukunft mit Feststoff-Batterien aus Dresden

Batterien aus Lithium-Schwefel-Verbindungen könnten die Zukunft der Elektromobilität sein. Bisherige Flüssigstoff-Batterien bergen aber eine große Gefahr: Sie sind leicht entflammbar. Das soll sich mit Feststoff-Batterien vom Fraunhofer-Institut für Wertstoff- und Stahltechnik (IWS) in Dresden ändern. Deren Potential liegt auch in längerer Lebensdauer und hoher Reichweite.

Schwefel mit seiner hohen Speicherkapazität und geringen Materialkosten soll als Kernelement eines vielversprechenden Konzepts für Feststoffbatterien dienen, das die fünf Projektpartner von - SoLiS - in die industrielle Anwendung überführen möchten. Im Bild ist die Batterie un eine Schale mit Schwefel zu erkennen.
Schwefel mit seiner hohen Speicherkapazität und geringen Materialkosten soll als Kernelement eines vielversprechenden Konzepts für Feststoffbatterien dienen, das die fünf Projektpartner von "SoLiS" in die industrielle Anwendung überführen möchten. Im Bild ist die Batterie zu erkennen, daneben eine Schale mit Schwefel. Bildrechte: Frauenhofer IWS

Weg von den fossilen Brennstoffen hin zur... Ja, was denn? Elektromobilität? Das Richtige ist das doch auch nicht, oder? Ein Elektroauto mag in der Stadt vielleicht ganz angenehm sein, dort gibt es zumindest Ladestationen, manche sogar zur kostenlosen Nutzung. Aber einmal quer durch Deutschland, beispielsweise um Verwandte zu besuchen, das kann man doch niemandem zumuten. Der Ausbau der Elektromobilität nimmt erst langsam Fahrt auf. Zu wenig Ladestation, zu geringe Reichweite. Wer will schon eine stundenlange Pause an der Raststätte verbringen?

Doch Stopp! Bald könnten Elektroautos eine Reichweite von 1.000 Kilometern schaffen, hat ein australisches Forscherteam vergangenes Jahr gezeigt. Die damals vorgestellten Batterien wurden am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden begutachtet. Und dort arbeitet man ebenfalls an einer Lösung: eine Feststoff-Batterie aus einer Lithium-Schwefel-Verbindung. Mittlerweile ist die Grundlagenforschung abgeschlossen. Jetzt geht es mit dem SoLiS-Projekt (Solid state battery Lithium Sulfur; deutsch: Feststoffbatterie-Lithium-Schwefel) darum, wie man gemeinsam mit verschiedenen deutschen Einrichtungen die Feststoff-Batterien industriell herstellen und somit etwa bei Elektrofahrzeugen oder elektrisch betriebene Flugzeugen anwenden kann.

Elektrische Luftfahrt nimmt langsam Schwung auf

Dass dieser Sektor am emissionsfreien Betrieb interessiert ist, hat zuletzt DHL Express, ein Tochterunternehmen der Deutschen Post, bewiesen. In seiner Pressemitteilung vom 3. August hat es die Bestellung von zwölf E-Flugzeugen bekanntgegeben. Die "Alice"-Flugzeuge sollen vom Unternehmen Eviation im Jahr 2024 an DHL Express übergeben werden. Das Forschungsprojekt "SoLis" hat bis dahin noch einen weiten Weg vor sich. Es ist aber auch erst im Juli 2021 gestartet.

Darum sind Feststoff-Batterien sicherer

Gegenüber klassischen Flüssigstoff-Batterien haben Feststoff-Batterien einen entscheidenden Vorteil: Sie sind nicht so leicht entflammbar wie die Flüssigelektrolyten in Lithium-Schwefel-Batterien und daher gelten sie als sichere Alternative. Unter Elektrolyten versteht man übrigens einen leitfähigen Stoff, durch den Ionen zwischen Anode (nimmt negativgeladene Ionen bzw. Anionen auf) und Kathode (nimmt positivgeladene Ionen bzw. Kationen auf) geleitet werden. Egal ob Flüssig- oder Feststoffbatterie, beide funktionieren grundlegend gleich.

Bei Flüssigelektrolyten kann sich jedoch die Flüssigkeit aufblähen oder es kann zu einer Gasbildung kommen, erklärt Holger Althues, der Abteilungsleiter Chemische Oberflächen- und Batterietechnik vom IWS.

Oder es kommt generell zu einem Verbrauch des Elektrolyten. Das heißt, die Zelle trocknet aus. Dies muss dringend vermieden werden, um lange Lebensdauer zu gewährleisten.

Holger Althues, der Abteilungsleiter Chemische Oberflächen- und Batterietechnik beim IWS

Dr. Holger Althues
Dr. Holger Althues Bildrechte: Fraunhofer IWS Dresden

Das sieht bei der Feststoff-Batterie anders aus. Sie besteht aus Materialien, die generell gesehen zwar auch brennbar sind, so Althues: "Doch diese Entflammbarkeit ist deutlich anders bei dem Flüssigelektrolyt. Dort bildet sich immer auch eine Gasphase durch Verdampfung der Lösungsmittel im Elektrolyten. Dadurch ergibt sich eine andere Entflammbarkeit."

Bei der Flüssigstoff-Batterie löst sich die Kathode außerdem auf. Dadurch setzen sich bestimmte Bestandteile wieder fest und können zur Anode gelangen. Dort kann es dann zu Entladungsreaktionen kommen. Anders sieht es laut dem Dresdner Forscher bei der Feststoff-Batterie aus, bei der die Löslichkeit automatisch unterdrückt ist, "da der Feststoff keinen Schwefel aufnehmen kann. Die anderen Nebenreaktionen (Gasbildung, Austrocknung) sind dort ebenfalls unterdrückt."

Preisgünstiger Schwefel

Einen Vorteil teilen sich aber beide Batterien: Sie bedienen sich des kostengünstigen Materials Schwefel. Die grundlegende Machbarkeit einer Li-S-Feststoffbatterie wurde bereits nachgewiesen. "Jedoch existieren bisher zu wenig Daten zu anwendungsrelevanten Prototypzellen", heißt es in der Mitteilung des IWS vom 5. August. Dadurch konnte die Technologie noch nicht fachgerecht beurteilt werden.

Der Prototyp eines Flüssigstoff-Lithium-Schwefel-Akkus aus Dresden
Der alte Prototyp eines Flüssigstoff-Lithium-Schwefel-Akkus aus Dresden, bereits 2016 präsentiert. Bildrechte: Fraunhofer IWS Dresden

Ziel des Forschungsprojektes

Das kostengünstig Speichermaterial Schwefel wollen die Forscher mit elektrisch leitfähigem Kohlenstoff und den ionenleitenden Elektrolyten in engen Kontakt bringen. Dafür müssen die Zellkomponenten in ausreichender Menge, vor allem aber in hoher Qualität hergestellt werden. Erst dann kann ein Prototyp angefertigt werden. Althues hält das Projekt für extrem vielversprechend:

Es gibt die Chance, eine wirklich kostengünstige Batterie mit hoher Energiedichte und erhöhter Sicherheit zu entwickeln.

Dr. Holger Althues, Abteilungsleiter Chemische Oberflächen- und Batterietechnik, IWS

Wann kann man mit einem ersten Prototypen rechnen? In den nächsten fünf bis zehn Jahren kann es so weit sein – es kann aber noch länger dauern oder gar nicht dazu kommen.

Es befindet sich noch absolut in den Grundlagenschuhen, aber wir versuchen hier einen entscheidenden Schritt für einen anwendungsbereiten Prototypen zu machen.

Dr. Holger Althues, Abteilungsleiter Chemische Oberflächen- und Batterietechnik, IWS

Förderung und Forschungspartner

Federführend bei dem SoLiS-Projekt ist das IWS, dass die Arbeit zwischen den Forschungseinrichtungen der Technischen Universität Dresden, der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und der Justus-Liebig-Universität Gießen koordiniert. Aus der Wirtschaft kommt noch die Schunk Kohlenstofftechnik GmbH hinzu. Diese übernimmt laut dem IWS die Herstellung von Kohlenstoffadditiven bzw. industriell relevanten Kompositmaterialien.

In Dresden wird an den Kathoden-Kompositmaterialien und einem geeigneten Elektrodendesign gearbeitet. Wogegen die Forscherinnen und Wissenschaftler aus Münster an maßgeschneiderten Festelektrolyten und deren Transporteigenschaften für den neuen Batterietyp forschen. Eine Herausforderung sind die Grenzflächenphänomene in Feststoff-Batterien, auf die sich die Universität in Gießen spezialisiert