Elektromobilität

Festkörperakku: Fraunhofer Institut entwickelt effizienteren Akku

von Alexander Kraft

Das Fraunhofer Institut forscht am Nachfolger des Lithium-Ionen-Akkus: Der Festkörperakku könnte die Elektromobilität entscheidend voranbringen.

Nahaufnahme der Reichweitenanzeige eines Elektroautos.
Bei Lithium-Ionen-Akkus ist die Energieeffizienz bereits ausgereizt. Foto: Shutterstock / Bartolomiej Pietr

Das erfahren Sie gleich:

  • Warum der Festkörperakku die Batterie der Zukunft sein könnte
  • Welche Vorteile feste Elektrolyten gegenüber dem Lithium-Ionen-Akku bieten
  • Welche Hürden das Fraunhofer Institut auf dem Weg dorthin meistern muss

Der Nachfolger des Lithium-Ionen-Akkus

Der Erfolg der Elektromobilität hängt in großem Maße von den Fortschritten in der Batterietechnologie ab. Sie bestimmt, wie weit ein Elektroauto mit einer einzelnen Ladung kommt. Aber auch, wie sicher ein E-Auto im Falle eines Unfalls ist.

Die aktuelle (und vermutlich auch noch die nächste) Generation von Elektroautos setzt auf Lithium-Ionen-Akkus als Energieträger – zumindest mehrheitlich. In Würzburg arbeitet das Fraunhofer Institut aber bereits am Nachfolger und damit auf das Ende der konventionellen Akkus hin.

Bis September 2020 läuft das auf drei Jahre ausgelegte SOLID-Forschungsprojekt, bei dem am Ende ein massentauglicher und kostengünstiger Festkörperakku auf Lithium-Basis präsentiert werden soll, der theoretisch eine drei Mal höhere Energiedichte ausweisen könnte.

Was das bedeutet, will der US-Autobauer Fisker ab 2023 demonstrieren. Ende 2017 erklärte der Hersteller, eine Batterie entwickeln zu wollen, die das 2,5-fache an Energiedichte gegenüber herkömmlichen Akkus aufweist und bereits nach einer Minute Ladezeit für 800 Kilometer Reichweite ausreicht.

Wie hoch die Hoffnung auch hierzulande in diese vielversprechende Technologie ist, lässt sich konkret in Zahlen ablesen. 3,2 Millionen Euro hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung für das Verbundprojekt bereitgestellt. Davon fließt ein Großteil direkt an das Fraunhofer Institut, der Rest verteilt sich auf mehrere, ebenfalls beteiligte Industriepartner.

Das im Fraunhofer ISC in Würzburg integrierte Forschungs- und Entwicklungszentrum Elektromobilität Bayern FZEB fungiert in dem Verbundprojekt als Ideengeber und Ko-Koordinator.

Wir können mit unserer Forschung die Elektromobilität entscheidend voranbringen.

Andreas Wolf, Projektverantwortlicher am Fraunhofer ISC in Würzburg

"Mit dem umfassenden Know-how des ISC auf dem Gebiet der Spezialkeramiken und dem hervorragenden Kompetenzausbau werden wir mit einer neuen Generation von Festkörperelektrolyten und leistungsfähigen Festkörperbatterien einen Entwicklungssprung hin zu sicheren, nachhaltigen und leistungsstarken Energiespeichern möglich machen", so Institutsleiter Gerhard Sextl.

Der Festkörperakku: Batterie der Zukunft?

Bei der Entwicklung effizienterer Speichertechnologien konzentriert sich das Projekt auf Lithium-basierte Festkörperbatterien auf Sol-Gel-Basis. Denn wenngleich der konventionelle Lithium-Ionen-Akku weiterhin als Standard gilt, so ist er technisch längst ausgereizt. Ihre hohe Energie- und Leistungsdichte werden limitiert durch Spannungsgrenzen.

Was das konkret bedeutet, wissen E-Auto-Fahrer allzu gut: langsame Ladegeschwindigkeiten. Denn zu große Ströme und zu hohe Temperaturen können den Akku beschädigen und im schlimmsten Fall sogar entzünden, deshalb müssen sie elektronisch reguliert werden. Festkörperakkus hingegen bieten ein größeres Spannungsfenster bei gleichzeitig höherer Energiedichte.

Der Unterschied zwischen einem Lithium-Ionen-Akku und einem Festkörperakku liegt im Aggregatzustand des Elektrolyts (zuständig für den Stromfluss zwischen Anode und Kathode). Diese in Ionen-Akkus als Flüssigkeit vorkommende chemische Verbindung bedingt unter anderem die maximale Speicherkapazität, die Ladezeit, die Sicherheit und die Größe des Akkus.

Kleiner, leichter, effizienter

Bei den sich derzeit in der Entwicklung befindlichen Festkörperakkumulatoren, oder eben auch Feststoffbatterien, besteht der Elektrolyt aus einem festen Material. In dem Forschungsprojekt handelt es sich dabei konkret um keramikähnliche Schichten auf Basis von Sol-Gel-Materialien.

Durch die Verwendung von festem gegenüber flüssigem Elektrolyt bietet sich mit Festkörperbatterien ein größeres Anwendungsspektrum. Derartige Batterien sind in ihrer Größe variabel und lassen sich bis zu einer dünnen Schicht miniaturisieren, ohne an Leistungsdichte einzubüßen, weil sie nicht gekühlt werden müssen. Große Akkus, die sich entsprechend auch im Gewicht bemerkbar machen, könnten so der Vergangenheit angehören.

Kurzum: Ein Festkörperakku kann verglichen mit einem Lithium-Ionen-Akku bei gleichem Gewicht und Volumen mehr Energie speichern. Das macht sie auch als Nachfolger für Smartphone-Akkus interessant. Darüber hinaus weisen Festkörperakkus eine höhere Lebensdauer – bis zu 1200 Ladezyklen – und längere Lagerfähigkeit auf.

Für die Sicherheit und damit auch für die Elektromobilität besonders relevant: Festkörperbatterien sind nicht entflammbar. Unfälle mit E-Autos bedeuten also nicht länger ein inhärentes Explosionsrisiko.

Komplexe Aufgabe für das Fraunhofer Institut

Eine zentrale Herausforderung des Projekts wird sein, die Leitfähigkeit der Elektrolyten zu erhöhen. Denn gegenwärtig besitzen Festkörper-Elektrolyten noch eine geringere Ionen-Leitfähigkeit als flüssige Elektrolyten.

Deshalb stehen die Forscher vor der Aufgabe, die komplexen Anforderungen an Synthese, Herstellung und Aushärtungsverfahren von Sol-Gel-Schichten aufzulösen, die aktuell noch im Widerspruch zu einer guten Ionenleitfähigkeit stehen.

Andreas Wolf, Projektverantwortlicher am Fraunhofer ISC in Würzburg, sagt dazu: "Wir können mit unserer Forschung einen wesentlichen Beitrag zu kostengünstigen, produktionstauglichen und robusten neuen Festkörperbatterien mit hohen Energiedichten leisten – damit bringen wir die Elektromobilität entscheidend voran."

Noch sind Lithium-Ionen-Akkus, wie diese hier, der Standard. Festkörperakkus könnten der nächste technologische Sprung sein.
Auch Bosch hat an Festkörperakkus geforscht. Die Entwicklung wurde Anfang 2018 aufgrund zu hoher Kosten aber wieder eingestellt. Foto: Bosch

In Frankreich fahren bereits E-Autos mit Festkörperakku

Feststoffbatterien sind an sich nichts Neues. Auch andere Unternehmen wie Bosch haben bereits daran geforscht, die Entwicklung allerdings Anfang 2018 aufgrund zu hoher Kosten letztlich doch wieder eingestellt.

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In Frankreich sind Festkörperbatterien bereits seit längerem im Einsatz. Das Unternehmen Bolloré betreibt unter anderem Elektrobusse und das E-Auto Bluecar mit Lithium-Metall-Batterien mit festen Kunststoff-Elektrolyten.

Mit seinen 250 Kilometern Reichweite aus einer 300-Kilogramm-Batterie entspricht dieser Status Quo allerdings nicht den Zielen, die das Fraunhofer Institut mit dem Projekt verwirklichen will. Und dessen Ziele sind ambitioniert: Innerhalb eines Jahres soll bereits eine erste funktionsfähige Einfach-Zelle mit dem neuen Festkörperbatteriekonzept zur Verfügung stehen.

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