Der Lehrstuhl „Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen hat eine Konsortialstudie zur künftigen Herstellung neuartiger Festkörperbatterien in Europa erfolgreich abgeschlossen. Mit zahlreichen Industriepartnern hatte das Forschungs-Team die zentralen Herausforderungen untersucht und Alleinstellungsmerkmale für die heimische Produktion sowie eine europäische Alternative zur kürzlich angekündigten „China All-Solid-State Battery Collaborative Innovation Platform“ (CASIP) herausgearbeitet.
„Nach jahrelanger Grundlagenforschung zu den leistungsfähigsten Festkörperelektrolyten sind die wichtigsten Materialfragen inzwischen weitgehend geklärt“, sagt PEM-Leiter Professor Achim Kampker: „Jetzt steht die Notwendigkeit innovativer Herstellungsverfahren und ihrer Skalierbarkeit im Mittelpunkt, denn bis zu 60 Prozent des aktuellen Produktionslayouts für Lithium-Batterien müssen möglicherweise in erheblichem Maße geändert werden.“ Die Entwicklung von Festkörperakkus auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie gilt auch als wichtiger Baustein für die Elektromobilität, da die Akkus sicherer sein sollen sowie theoretisch höhere Reichweiten und kürzere Ladezeiten ermöglichen.
Weltweit Partnerschaften mit unterschiedlichen Ansätzen
Der Konsortialstudie zufolge entstehen derzeit weltweit Partnerschaften zur Kommerzialisierung von Festkörperbatterien, die jeweils eigene Ansätze verfolgen. Während man sich in Europa und den USA hauptsächlich auf Polymer- und Hybrid-Elektrolytsysteme konzentrierte, würden in Asien und dort vor allem in China zunehmend sulfidbasierte Systeme erforscht. Bis 2035 könnten Festkörperbatterien mit einer potenziellen Gesamtleistung von bis zu 1.200 Gigawattstunden bereits einen bedeutenden Anteil am globalen Batteriemarkt ausmachen, sagt Kampker: „Das Umsatzpotenzial liegt dann voraussichtlich bei 550 Milliarden Euro, so dass selbst ein kleiner Anteil daran sehr attraktiv ist.“ Dafür benötigten die Hersteller allerdings innovative und skalierbare Anlagentechnik.
Zahlreiche Herausforderungen in der Produktionskette
Die Studie offenbart indes zahlreiche Herausforderungen in der Produktionskette. So seien neuartige Verarbeitungsmethoden zur Herstellung dünner und dichter Schichten für Festkörperelektrolyte und Lithium-Metall notwendig, und es müsse geprüft werden, inwiefern Trockenbeschichtungsansätze aus der aktuellen Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien auch auf die Fertigung von Festkörperelektrolyten übertragbar sind. Auch seien Wärmebehandlungsschritte vor allem für keramikbasierte Festkörperelektrolyte zu optimieren, und bei Elektrodenstapeln müsse für Grenzflächen mit geringem Widerstand für eine optimale Ionenleitung der Festkörper gesorgt werden. Darüber hinaus seien maßgeschneiderte Produktionsprozesse für neue Hybridzellenformate notwendig, die Pouch- mit prismatischen Designs kombinieren, und bipolare Zellstapel würden künftig die Zellmontage sowie die Formierungsprozesse beeinflussen.
