Sicher und langlebig: Feststoffbatterien der Zukunft

Die Weiterentwicklung von Batterien, um sie noch leistungsfähiger, langlebiger, sicherer und umweltfreundlicher zu machen, hat weltweit hohe Priorität. Batterien sind ein wesentlicher Eckpfeiler für die Transformation des Energie- und Mobilitätssystem – sie werden z. B. für das Puffern der Schwankungen von erneuerbaren Stromquellen benötigt, für die Dekarbonisierung der Industrie und für einen umweltfreundlicheren Straßen- und Flugverkehr. 

„Das AIT Austrian Institute of Technology ist seit vielen Jahren in der Batterieforschung etabliert und nimmt dabei eine führende Rolle in Europa ein“, betont Christian Chimani, Leiter des AIT Centers for Transport Technology. AIT-Forscher:innen leiten zahlreiche große EU-Projekte in diesem Bereich, die die gesamte Wertschöpfungskette abdecken – von der Materialforschung über die Entwicklung von Produktionsprozessen bis hin zur Integration in industrielle Anwendungen. 

Dabei werden drei große Forschungsschwerpunkte verfolgt: 

• In Bereich Materialentwicklung werden neue Materialien erforscht, die Batterien effizienter und nachhaltiger machen. Zentrale Stoßrichtungen sind dabei der Ersatz kritischer Rohstoffe (wie etwa Lithium oder Kobalt), Recyclingfähigkeit und Kreislaufwirtschaft.
• Im Bereich Nachhaltige Produktionsprozesse liegt der Fokus auf umweltfreundlichen, ressourcenschonenden und energieeffizienten Herstellungstechnologien – wie beispielsweise der Ersatz giftiger Lösemittel durch unbedenkliche Substanzen.
• Der Schwerpunkt Festkörperbatterien widmet sich der Entwicklung der nächsten Generation von Batterien mit höherer Sicherheit, Energiedichte und Lebensdauer. „Solid State Batteries“ enthalten keine flüssigen Elektrolyte, die brennbar sind und zu Alterungsprozessen in der Batterie beitragen. 

Dieser dritte Forschungsschwerpunkt ist der Kern des neuen Solid State Battery Labs am AIT-Headquater in der Wiener Giefinggasse. „Diese neue Infrastruktur ergänzt perfekt unsere bestehenden Kompetenzen und bietet uns neue Möglichkeiten, die nächste Stufe in der Batterieforschung zu erreichen. Mit dem Labor können wir eine entscheidende Lücke zwischen Laborentwicklung und industrieller Anwendung schließen“, erläutert Chimani. 

Ein neues Gebäude, das direkt an das bestehende Battery Lab anschließt, wurde bereits fertiggestellt. Die großzügigen Labors, die sich am neuesten Stand der Technik befinden, sind indes noch nicht vollständig mit den nötigen Apparaten eingerichtet – diese folgen nun sukzessive. Der Grund dafür ist, dass das Thema Feststoffbatterien noch so neu ist und man daher keine Maschinen „von der Stange“ kaufen kann. Vielmehr werden die Anlagen gemeinsam mit den Herstellern entwickelt und für die Zwecke des AIT maßgeschneidert. Das betrifft beispielsweise das Herzstück der künftigen Pilot Production Line: die Coating-Anlage. Sie existiert derzeit nur als ein kleiner Prototyp, die größere Anlage, auf der künftig Kleinserien hergestellt und die Produktionsverfahren weiterentwickelt und optimiert werden, ist noch in Konstruktion.

Bei Feststoffbatterien gibt es noch keine Industriestandards. Man kennt bereits eine Reihe von geeigneten Materialien für Feststoffbatterien, wie etwa Polymere, Keramiken und Gläser oder Sulfid-basierte Substanzen. Diese haben jeweils eigene Vor- und Nachteile hinsichtlich Verarbeitbarkeit, Performance oder Sicherheit. Aufbauend auf diesem Wissen müssen nun neue Batterietypen konzipiert und optimiert sowie völlig neue Herstellungsverfahren entwickelt werden. Erst dann können Feststoffbatterien in einigen Jahren praxisreif werden. „Um diese Systeme besser zu verstehen, müssen noch grundlegende Fragen beantwortet werden“, erläutert Marcus Jahn, Leiter der AIT Competence Unit „Battery Technologies“. 

Ein zunehmend wichtiges Kapitel in der Batterietechnologie ist die Konstruktion von sogenannten „Smart Cells“. Das sind Batteriezellen und -module, die mit Sensoren ausgestattet sind, die deren „Gesundheitszustand“ überwachen. Dadurch lassen sich wichtige Informationen zum Batteriemanagement gewinnen, um die Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Sicherheit weiter zu erhöhen. 

Überdies betreten die AIT-Forscher:innen bei einem völlig neuen Anwendungsfeld für Batterien Neuland: Gearbeitet wird an Elektroantrieben für Flugzeuge, um diese klimafreundlicher zu machen. Da beim Fliegen das Gewicht eine zentrale Rolle spielt, forscht man in einigen EU-Projekten gemeinsam mit Partnern zum Beispiel an Batterien, die in strukturelle Komponenten eines Flugzeuges wie etwa in Tragflächen integriert werden. 

Die Entwicklung von Batterien ist am AIT eng verzahnt mit weiteren Schlüsseltechnologien für den Mobilitätssektor, v. a. mit innovativen Antriebstechnologien und Mikroelektronik, mit Leichtbau und mit nachhaltiger, intelligenter und sicherer Verkehrsinfrastruktur inkl. Ladeinfrastruktur für Elektroautos.

„Erstklassige Forschungsinfrastruktur ist eine wichtige Basis für unsere Kooperationen mit Partnern und Schlüsselkunden“, betonte Alexander Svejkovsky, AIT Managing Director, bei einem Lokalaugenschein im neuen Labor. „Das AIT befindet sich an der Schnittstelle zwischen Universitäten und Industrie, um technologische Entwicklungen voranzutreiben und von der Grundlagenforschung in die Anwendung zu bringen. Die Kooperation mit Schlüsselkunden ist eine Basis für anwendungsorientierte Forschung“, so Svejkovsky.