Im Projekt Alano befassen sich Partner aus Industrie und Forschung unter der Leitung des Autobauers BMW mit Feststoffbatterien. Lithium-Metall als Anoden-Material und ein fester Elektrolyt sollen die Energiedichte auf Zellebene erhöhen und damit die Reichweite von Elektroautos deutlich verlängern.
Forscher und Automobilhersteller setzen seit einiger Zeit verstärkt auf Feststoffbatterien. Bei dieser Bauform bestehen sowohl beide Elektroden als auch der Elektrolyt aus festen Materialien. Besonders der feste Elektrolyt verspricht Vorteile für die Sicherheit: Er ist schwer entflammbar und kann nicht auslaufen. Das neue Verbundvorhaben Alano (Alternative Anodenkonzepte für sichere Feststoffbatterien) befasst sich mit Lithium-Batterien der nächsten Generation und fokussiert sich auf die Lithiummetall-Anode als zentrale Komponente. Alano zielt darauf, die Energiedichte von Feststoffbatterien zu erhöhen, und zwar bei hoher Sicherheit.
Feststoffbatterien könnten die Reichweite von Elektroautos deutlich verlängern
„Lithiummetall als Anodenmaterial besitzt das Potenzial, die Energiedichte auf Zellebene erheblich zu steigern und damit die Reichweite von Elektroautos deutlich zu verlängern“, erklärt Professor Stefano Passerini, Direktor des an Alano beteiligten Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) und Leiter der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien am HIU. Im Projekt evaluieren Partner aus Forschung und Industrie unterschiedliche auf Lithiummetall basierende innovative Anodenkonzepte für Feststoffbatterien, um die Reaktivität, Sicherheit und Leistungsfähigkeit der Anode zu optimieren und diese in einer robusten Zelleinheit mit hoher Energiedichte zu integrieren. Entscheidend ist dabei die Kombination mit einem festen Elektrolyten. Im Gegensatz zu konventionellen Flüssigelektrolyten, die stark mit Lithiummetall reagieren, sind Festelektrolyte weniger reaktiv und eröffnen damit die Möglichkeit, kinetisch stabile Grenzflächen auszubilden. Dies wiederum verspricht weitere Vorteile: „Erstens wird die Sicherheit wesentlich verbessert, da die Zellen keine flüssigen und leicht brennbaren Bestandteile enthalten“, erläutert Dr. Dominic Bresser, Leiter der Forschungsgruppe Elektrochemische Energiespeichermaterialien am HIU. „Zweitens erhöht sich die Robustheit der Zellen, wodurch Handhabung, Kühlung und Systemintegration leichter werden.“ So lassen sich die Kosten auf Zell-, Modul- und Systemebene senken. Zugleich steigt die Lebensdauer der Zellen, was zur Nachhaltigkeit beiträgt.
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Forschung und Entwicklung entlang der gesamten Wertschöpfungskette
Das Projekt Alano deckt die gesamte Wertschöpfungskette von Feststoffbatterien mit Lithiummetall als Anodenmaterial ab: von der Auswahl der Materialien über die Herstellung der Komponenten, die Verarbeitung zu Zellen, die Skalierung der Batterien für den Einsatz in Fahrzeugen und andere Anwendungen bis hin zum Recycling. Die Integration in die Kreislaufwirtschaft ist also ebenfalls berücksichtigt. Im Projekt arbeiten Partner aus Industrie und Forschung branchen- und disziplinübergreifend zusammen.
Koordinator des Konsortiums ist BMW. Zu den weiteren Industriepartnern gehören Applied Materials, Arlanxeo, die Daikin Chemical Europe, Rena Technologies und die Varta Microbattery. Als Partner aus der Forschung sind neben dem HIU das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, das Forschungszentrum Jülich (FZJ), das Batterieforschungszentrum Münster Electrochemical Energy Technology (MEET) der Universität Münster, das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und die Universität Gießen beteiligt. Als assoziierter Partner wirkt BASF mit.
Alano startet im September 2021; das Projekt ist auf drei Jahre angelegt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert Alano im Bereich „Batterie 2020 Transfer“ (Batteriematerialien für zukünftige elektromobile, stationäre und weitere industrierelevante Anwendungen). (kf)
