Lithium-Metall-Festelektrolytbatterien weisen eine deutlich höhe Energiedichte als Li-Ion-Technologien auf. (Bild: imec)
Als Projektkoordinator des H2020 Solidify-Konsortiums kündigt imec zusammen mit 13 europäischen Partnern die Entwicklung einer leistungsstarken Lithium-Metall-Festkörperbatterie an. Festkörperbatterien verwenden ein festes Elektrolytmaterial, durch das Ionen zum Laden und Entladen fließen, anstelle des flüssigen Elektrolyts in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Die Entwicklung einer kostengünstigen Architektur für die Massenproduktion ist jedoch nach wie vor schwierig.
Im Rahmen des Projekts haben die Partner nun den Prototyp einer Lithium-Metall-Festelektrolytbatterie entwickelt. Die Pouchzelle weist eine außergewöhnliche Energiedichte von 1070 Wh/L auf, verglichen mit dem Maximum von 800 Wh/L bei Li-Ion-Technologien. Dieser Prozess mit einem Herstellungsverfahren, das bei Raumtemperatur handhabbar ist, lässt sich an die aktuellen Produktionslinien für Li-Ion-Batterien anpassen und kostet voraussichtlich weniger als 150 € pro kWh - Potenzial für einen erschwinglichen industriellen Transfer.
Neue Materialien und Beschichtungen
Für den Festelektrolyten des Prototyps kam ein dotiertes, polymerisiertes, auf ionischen Flüssigkeiten (PIL) basierendes Nanokompositmaterial zum Einsatz, das einen einzigartigen Flüssig-zu-fest-Erstarrungsansatz ermöglicht. Die hohe Energiedichte ließ sich durch die Kombination einer Hochleistungs-Verbundkathode, die durch einen dünnen Festelektrolyt-Separator (50 µm) von einer dünnen Lithium-Metallanode getrennt ist, erreichen, was zu einem kompakten Batteriezellenstapel führte. Die Laderate der Zelle beträgt drei Stunden und die Lebensdauer ist auf 100 Zyklen erhöht. Im Vergleich zu flüssigen Elektrolyten war die thermisch stabile Feststoffzelle zudem weniger entflammbar. Schließlich ermöglichen nanometerdünne Schutzbeschichtungen die Verwendung kobaltarmer NMC-Kathoden, was zu weniger Umweltbelastung und gleichzeitig höherer Kapazität führt.
Zu den nächsten Schritten gehört die Hochskalierung dieser Hochleistungsbatterietechnologie. Darüber hinaus erforscht imec Kathodenmaterialien der nächsten Generation sowie Lithium-Metall-Anoden unter Verwendung von Galvanotechnik.
Das H2020 Solidify-Konsortium
Das Solidify-Konsortium besteht aus 14 Partnern, darunter die Forschungszentren imec/EnergyVille (Belgien), Fraunhofer (Deutschland), Centro Richerche Fiat SCPA (Italien) und Empa (Schweiz), die Universität Hasselt/EnergyVille (Belgien) und die Technische Universität Delft ( Niederlande) sowie die Industriepartner VDL Groep (Niederlande), Umicore (Belgien), Solith (Italien), Solvionic (Frankreich), Sidrabe (Lettland), Leclanché (Schweiz), Gemmate Technologies (Italien) und Powall (Niederlande). Das Projekt wurde im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 875557 aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union finanziert und von imec koordiniert.