Festkörperbatterie überzeugt 16.09.2022, 07:00 Uhr

Neue Batterie für Speicherung erneuerbarer Energie

Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS und die Altech Group haben das Joint Venture Altech Batteries GmbH gegründet. In den nächsten Jahren soll das junge Unternehmen eine Batteriefabrik aufbauen, um eine Fraunhofer-Entwicklung auf den Markt zu bringen – eine neue Batterie-Technologie.

Batterieforschung

Präparation einer Ni/NaCl-Kathode für die neue keramische Festkörperbatterie.

Foto: Fraunhofer IKTS

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer IKTS haben jahrelang an einer keramischen Hochtemperaturbatterie gearbeitet, die sie jetzt unter dem Markennamen cerenergy auf den Markt bringen wollen. Die Forschenden bezeichnen die Batterie selbst als „eine leistungsstarke Technologieplattform für die preiswerte stationäre Energiespeicherung“. Die Entwicklung sei bereits erfolgreich in stationären Batteriemodulen getestet worden. Den nächsten Schritt wollen die Forschenden zusammen mit der Altech Group gehen. Das Joint Venture Altech Batteries GmbH wird am Standort Schwarze Pumpe in Sachsen eine cerenergy-Batteriefabrik errichten.

Batterie überzeugt durch unproblematische Materialien

Die Grundlage zu cerenergy bilden Na/NiCl2- und Na/S-Batterien. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben sie abgewandelt, um Zellen und Systeme günstiger herstellen zu können. Dafür haben sie nicht nur die verwendeten Materialien, sondern auch die Prozesse und Fertigungstechnologien auf den Prüfstand gestellt.

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Beispielsweise wird die Speicherkapazität in den keramischen Festkörperbatterien durch den Gehalt an NaCl-Kochsalz festgelegt. Ein keramischer NA-Ionen leitender Elektrolyt aus einem dotierten Aluminiumoxid sowie Nickel und Eisen sind ebenfalls wichtige Bestandteile. Das heißt: Die Batterien kommen ohne Seltene Erden aus. In Ihnen sind auch keine Rohstoffe enthalten, die womöglich aus politischen oder anderen Gründen schwer zu beschaffen sein könnten. Trotzdem erreichen sie auf Zellebene Energiedichten von etwa 130 Wattstunden pro Kilogramm. Lithium-Ionen-Batterien schaffen zwar deutlich mehr, benötigen dafür aber Lithium und beispielsweise Kobalt. Beide Rohstoffe gelten als problematisch mit Blick auf eine nachhaltige Gewinnung.

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Der neue Akku soll als stationärer Energiespeicher dienen

Die neuen keramischen Festkörperbatterien sind als stationäre Energiespeicher gedacht. So dürften auch die Lade- und Entladeraten von 0,25 bis maximal einer Stunde (1 C) keine allzu große Rolle spielen. Nach Angaben der Forschenden hat ihre neue Akku-Entwicklung einen weiteren Vorteil: Sie kann auch unter extremen Umgebungsbedingungen ohne Klimatisierung eingesetzt werden.

Die Arbeitstemperaturen liegen zwar bei etwa 300 Grad Celsius (°C), werden aber durch eine gestützte Vakuumisolation ohne größere Verluste aufgefangen. Der Endverbraucher nehme davon in der Betriebsphase nichts wahr. Unterm Strich sollen die Akkus in einem Temperaturbereich zwischen minus 20 °C und plus 60 °C einsetzbar sein.

Festkörperbatterie soll deutlich günstiger sein als Lithium-Ionen-Akkus

Für den keramischen Festkörperelektrolyten setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hochreines Aluminimumoxid ein. Als Kathodenmaterial dienen vor allem Kochsalz und Nickel. Der größte Vorteil der cerenergy-Batterien dürfte aber wohl ihr Preis sein. Die Forschenden des Fraunhofer IKTS haben ausgerechnet, dass die Herstellungskosten 40% unter denen vergleichbarer Lithium-Ionen-Batterien liegen müssten.

Außerdem arbeiten sie nach einem grundlegend anderen Prinzip als Lithium-Ionen-Batterien. Das heißt, viele Prozesse, die für den Akku schädlich sind, laufen nicht ab, weswegen diese keramische Festkörperbatterien nicht so schnell altern.

Pufferspeicher für erneuerbare Energien

Die cerenergy-Batterien ist nach Aussage der Forschenden besonders interessant, um erneuerbare Energien zu speichern. Sie könnte in diesem Bereich als Puffer zwischen Stromerzeugung und -verbrauch dienen, und das sowohl in Privathaushalten, die beispielsweise mit einer Photovoltaik-Anlage ausgestattet sind, als auch im Bereich der Industrie. Es wäre sogar möglich, mit ihnen Schwankungen in den Stromnetzen auszugleichen, indem sie beispielweise bei großen Windparks installiert werden. Auch für die Ladeinfrastruktur der Elektromobilität kämen sie infrage. Jetzt müssen sie nur noch produziert werden.

Solaranlagen sollen die Stromnetze stabilisieren

„Eine erste Linie der geplanten Batteriefabrik für 100 Megawattstunden pro Stunde (MWh/h) soll 10.000 Batteriemodule pro Jahr mit einer Kapazität von je 10 Kilowattstunden (KWh) produzieren“, sagt Uwe Ahrens, Vorstand der Altech Advanced Materials. Für die Weiterentwicklung der Technologie sind weiterhin die Fraunhofer-Expertinnen und -Experten zuständig. Altech stellt ihnen dafür einen zweistelligen Millionenbetrag zur Verfügung. Zudem hält das Fraunhofer IKTS einen Anteil von 25% am Joint Venture.

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Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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