Kolleg-Energiewende: Vliesstoff-basierte All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie mit sulfidischen Ionenleitern

Stipendiatin/Stipendiat: Michael Machhaus

Mit rund 164 Mio. t. CO2-Emission im Jahr stellt der Vehrkehrssektor in Deutschland eine signifikante Belastung der Umwelt dar. Mit heutigen 47 Mio. Verbrennerfahrzeugen, entspricht das 19% aller Treibhausgasemissionen in Deutschland. Hierbei kann die Elektromobilität eine entscheidende Alternative darstellen. Eine Studie der Agora Verkehrswende sieht für Elektrofahrzeuge unter Berücksichtigung des europäischen Strommixes und der Entwicklung in der Zellfertigung im Jahr 2030 einen Klimavorteil von 41 % bzw. 35 % gegenüber Benzin- respektive Dieselfahrzeugen nach 150 000 km Fahrleistung. Bei zunehmendem Anteil an erneuerbaren Energien bei der Herstellung des Fahrzeugs, der Batterie und der Energiebereitstellung für die Fahrleistung steigt der Klimavorteil entsprechend weiter an.

Aus der Elektrifizierung der Fahrzeuge können mit Implementierung von so genannten Smartgrids, intelligenten Stromnetzen, weitere Vorteile gewonnen werden. Sektorkopplungsansätze wie Vehicle-to-Grid und Vehicle-to-Home können das Stromnetz durch die Verwendung der elektrischen Batteriespeicher der Automobile entlasten, Dezentralisierung des Stromnetzes fördern und so die Energiewende zusätzlich positiv beeinflussen.

Für die vollständige Etablierung von elektrischen Fahrzeugen in den Individualverkehr ist jedoch die Voraussetzung einer ökologischen und ökonomischen Batteriezelle mit hoher Akzeptanz noch nicht gegeben.

Festkörperbatterien sind vielversprechende Alternativen und zeigen gravierende Vorteile verglichen zu ihrem heutigen Pendant mit flüssig Elektrolyt. Durch die Vermeidung von entzündlichem Elektrolyten und die Verwendung von neuartigen Elektroden, was in einer Erhöhten Sicherheit und größerer Reichweite mündet, kann die Akzeptanz deutlich erhöht werden.

Gegenläufig zu den Vorteilen der Festkörperbatterien stellen geringe, ionische Leitfähigkeiten und die (elektro-)chemische Instabilität der Elektrolyten und das Fehlen eines Produktionsprozesses solcher Batterien große Hindernisse dar.

Genau diese Herausforderungen sollen in meine Forschungsvorhaben in Angriff genommen werden. Das Problem der geringen ionischen Leitfähigkeit soll mit einem intelligenten Zellaufbau mittels dünnen Elektroden überwunden, die Stabilität des Elektrolyten soll mittels skalierbarem Beschichtungsprozessen erhöht, und ganz im Sinne des Upscaling Ansatzes soll ein erster möglichen Produktionsprozess für Festkörperbatterien entworfen, im Labormaßstab umgesetzt und letztendlich mit Industriepartner weiterentwickelt werden.

Zusätzlich werden unkritischere, ökologischere Elektrodenmaterialen, verglichen zu heutiger Lithium-Ionentechnologie, evaluiert um zukünftige Rohstoffknappheit zu verhindern und die Umwelt zu schonen.

Sowohl der innovative Fertigungsprozess als auch die Verwendung neuartiger und/oder unkritischer Materialien sollen die großtechnische Umsetzung umweltfreundlich ermöglichen. Zusammen mit den Vorteilen der Sicherheit und der höheren Reichweite sollen also ökologische und ökonomische Batteriezellen mit hoher Akzeptanz entwickelt werden.

Förderzeitraum:
01.12.2020 - 30.11.2023

Institut:
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Betreuer:
Prof. Dr. Harald Hillebrecht

E-Mail: E-Mail schreiben