Halogenid-Festkörperbatterien für Elektrofahrzeuge und Flugzeuge
Festkörper-Lithium-Metall-Batterien (All-solid-state lithium-metal batteries, ASSLMBs) gelten als äußerst vielversprechend – nicht zuletzt aufgrund ihrer hohen theoretischen Energiedichte und ihrer erheblich verbesserten Sicherheit. Bei der Entwicklung dieser Technologie spielt ein Festkörperelektrolyt eine entscheidende Rolle, indem er herkömmliche organische Separatoren und brennbare organische Flüssigelektrolyte ersetzt. Besonders Festkörper-Halogenid-Elektrolyte haben das Forschungsinteresse durch ihre hohe Ionenleitfähigkeit und ihre Stabilität bei hohen Spannungen geweckt.
Der Verkehrssektor trägt mit einem Anteil von etwa 30 Prozent maßgeblich zu den CO2-Emissionen bei, wobei Straßen- und Luftverkehr die größten Verursacher sind. Um die Klimaziele zu erreichen, besteht daher dringender Handlungsbedarf in diesen Bereichen. Elektrofahrzeuge spielen dabei eine entscheidende Rolle, da sie deutlich effizienter mit Energie umgehen als herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren.
Allerdings geht es bei einer nachhaltigen Elektrifizierung nicht nur um die Effizienz während des Betriebs, sondern auch um die umweltverträgliche Produktion. Dies ist ein zentrales Merkmal von Batterien aus europäischer Herstellung: Sie sollen mit einem geringen CO2-Fußabdruck produziert werden und entlang der gesamten Wertschöpfungskette in die Kreislaufwirtschaft eingebunden sein. Die Herstellung von umweltfreundlichen Batterien ist daher ein wichtiger Aspekt, um das Potenzial der Elektromobilität vollständig auszuschöpfen und den Weg zu einer nachhaltigen Verkehrswende zu ebnen.
HELENA: Innovative Festkörperbatterien aus europäischer Herstellung
Das europäische Projekt HELENA (Halide Solid State Batteries for Electric Vehicles and Aircrafts) forscht an einer wegweisenden Technologie zur Entwicklung von Festkörperbatterien mit herausragender Leistung bei hohen Strömen und stabilem Betrieb im Zyklusverlauf. Diese Batterien der 4b-Generation nutzen eine hochkapazitive Ni-reiche Kathode (NMC), eine hochenergetische Li-Metall-Anode (LiM) und einen Li-Ion-Superionic-Halide-Festkörperelektrolyten als Grundlage. Dadurch können sie sowohl in Elektrofahrzeugen als auch speziell in Flugzeugen eingesetzt werden. HELENA leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Unterstützung Europas auf dem Weg zur Klimaneutralität
Im Rahmen des Projekts HELENA unterstützt das AIT die Herstellung von Batteriekomponenten sowie die Zellfertigung im Labormaßstab. Dies umfasst die Entwicklung der Katholytformulierung und -verarbeitung, die elektrochemische Charakterisierung der einzelnen Batteriekomponenten sowie die Montage und das Testen von Prototyp-Pouch-Zellen. Darüber hinaus wird das Verhalten der HELENA-Zellen in realistischen Anwendungsfällen aus der Automobil- und Luftfahrtindustrie durch numerische Systemsimulationen bewertet.
Artur Tron, Batterieexperte am AIT, hebt hervor, dass die Festkörperbatterie-Technologie eine äußerst vielversprechende Speichertechnologie für den Straßen- und Luftverkehr darstellt. Er erklärt: „Halogenidbasierte Festkörperbatterien, die im Mittelpunkt von HELENA stehen, sind von Haus aus sicherer als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus und andere Arten von Festkörperbatterien. Ihre chemischen Komponenten sind ungiftig und nicht entflammbar, und sie weisen eine höhere Grenzflächenstabilität im Kontakt mit Lithium-Metall-Anoden auf. So wird die Bildung von Lithium-Dendriten verhindert, was besonders wichtig ist, da Dendriten einen Kurzschluss innerhalb der Zellen verursachen können und damit ein Sicherheitsrisiko darstellen.“ Durch diese intrinsischen Sicherheitsmerkmale tragen halogenidbasierte Festkörperbatterien maßgeblich dazu bei, die Sicherheit in der Energiespeichertechnologie zu erhöhen und ihr Potenzial für den Einsatz in der Luftfahrt und auf der Straße zu stärken.
Helmut Kühnelt, Senior Scientist und AIT-Projektkoordinator, fügt hinzu: „Nach Kraftfahrzeugen sollen nun auch Flugzeuge elektrifiziert werden und benötigen sichere, hochenergetische und leistungsdichte Batterien. HELENAs Festkörperzellentechnologie auf Halogenidbasis wird eine emissionsfreie Mobilität in der Luft ermöglichen, vom elektrischen Flugtaxi bis zum 20-sitzigen Miniliner, und entspricht den Anforderungen zukünftiger hybrid-elektrischer Regional- und Drehflügelflugzeuge.“
This project has received funding from the European Union’s Horizon Europe research and innovation programme under grant agreement No. 10106968 (HELENA).
