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Forschung und Entwicklung

Feststoffbatterien könnten E-Autos zum Durchbruch verhelfen

Feststoffbatterie umgeben von Plexiglas, der Testaufbau am Forschungszentrum Jülich
Der Testaufbau in Jülich: In der Mitte befindet sich in der Größe einer Knopfzelle die Feststoffbatterie, umgeben von einem Plexiglasgehäuse. (Foto: Forschungszentrum Jülich / Regine Panknin)

Kaum ein Hersteller oder Forschungsinstitut tüftelt nicht daran: Die Feststoffbatterie gilt als Nachfolger der Lithium-Ionen-Batterie im Elektroauto. Jetzt haben Jülicher Forscher einen Durchbruch für die sicheren und billigen Akkus gemeldet.

10.09.2018 – Einige Experten rechnen damit, dass sich Elektroautos erst Mitte des kommenden Jahrzehnts durchsetzen werden, wenn die nächste Batteriegeneration massentauglich produziert wird. Reichweite und Ladezeiten sollen sich deutlich verbessern, billigere Ausgangsstoffe und Herstellungsverfahren das Elektrofahrzeug günstiger machen. Als Hoffnungsträger gilt die Feststoffbatterie, auch als Festkörperbatterie bezeichnet.

„Clevere“ Materialwahl

Wissenschaftler am Forschungszentrum Jülich sind diesem Traum nun näher gekommen. Sie berichten von deutlichen Verbesserungen aufgrund einer „cleveren“ Materialwahl. Die Neuentdeckung erlaube zehnmal größere Ströme beim Laden und Entladen als herkömmliche Methoden.

„Mit den bisher beschriebenen Konzepten waren nur sehr geringe Lade-und Entladeströme möglich, die sich auf Probleme an den internen Festkörper-Grenzflächen zurückführen lassen“, beschreibt Projektleiter Hermann Tempel vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung das Problem. Denn in Lithium-Ionen-Batterien kommt ein flüssiger Elektrolyt zum Einsatz, der eine sehr gute Leitfähigkeit garantiert. Verwendet man stattdessen Festkörper, fällt der Übergangswiderstand zwischen den Elektroden und dem Elektrolyt entsprechend höher aus.

Phosphatverbindungen als Schlüssel

„Um dennoch einen möglichst großen Stromfluss über die Schichtgrenzen hinweg zu ermöglichen, haben wir alle Komponenten aus sehr ähnlichen Materialien aufgebaut“, erklärt Tempel. Dafür wurden Anode, Kathode und Elektrolyt aus verschiedenen Phosphatverbindungen gefertigt, die Laderaten von über 3C (bei einer Kapazität von etwa 50 mAh/g) ermöglichen. „Das ist zehnmal höher als die Werte, die man sonst in der Fachliteratur findet.“

Ein weiterer Vorteil: Die Materialien sind preisgünstig und relativ leicht zu verarbeiten. Anders als Lithium-Ionen-Batterien kommen Feststoffbatterien weitgehend ohne giftige Stoffe aus. Da sie unempfindlich gegen Hitze sind und zudem keine Flüssigkeiten enthalten, können sie weder auslaufen, explodieren oder in Brand geraten. Sie gelten als sicher, zuverlässig und langlebig.

Forschung noch nicht am Ende

Knackpunkt war bisher die geringe Stromstärke, doch in Jülich braucht der neue Zelltyp nur noch weniger als eine Stunde für eine volle Ladung. Die Arbeit ist damit aber nicht beendet, die Forscher haben nur einen – wenn auch wichtigen – Baustein für die Batterie der Zukunft deutlich verbessert. Weitere Forschungen und Entwicklungen stehen aus, anschließend muss das Produkt in die Massenproduktion gebracht werden.

Sind die Forscher nicht nur in Jülich sondern auch an anderen Instituten weiterhin so erfolgreich, könnten tatsächlich Anfang oder Mitte der 2020er Jahre die ersten Elektroautos mit Feststoffbatterien ausgestattet werden und elektrisch betriebenen Fahrzeugen zum Durchbruch verhelfen. cw


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