Feste Energie

An diesem Tag besucht der Chemieingenieur in Hanau ein Labor des Bereichs Electrochemistry & Exploration in der Verfahrenstechnik. Durch eine Glasscheibe betrachtet er dort eine Apparatur, in der mehrere Petri­schalen mit einer leicht trüben Flüssigkeit von UV-Licht bestrahlt werden.

„Hauptbestandteil der Flüssig­keit ist ein von uns entwickeltes Monomer, das wir jetzt ­polymerisieren“, erklärt Sarigiannidis. Das fertige Polymer lässt sich in anderen Petrischalen begutachten: Deren Boden ist mit einer durchsichtigen, leicht gelb­lichen Masse bedeckt. Was aussieht wie ein ziemlich ­fester Gelee, ist für Christos Sarigiannidis der Hoffnungsträger in einem seiner Projekte: „Dies könnte einmal als Elektro­lyt in einer Feststoff-Lithium-Ionen-Batterie dienen.“

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) dienen millionenfach als Stromspeicher in Elektrofahrzeugen. Bei den heute gängigen LIBs ist der Bereich zwischen den Elektroden mit einem flüssigen Elektrolyten ausgefüllt. Feststoff­elektrolyte könnten den bewährten Akkus zu einem Entwicklungssprung verhelfen und die Elektromobilität schneller vorantreiben. Die Vorzüge des im Branchen­jargon Solid-State Battery (SSB) genannten Speichers liegen für Sarigiannidis auf der Hand: „Feststoffbatterien speichern mehr Energie und sind noch sicherer als herkömmliche LIBs.“

Wissenschaftler und Entwickler weltweit verfolgen derzeit viele Ansätze, um Reichweite, Ladegeschwindigkeit, Sicherheit und Kosten der Batterien zu optimieren. Vor allem die Erwartungen an die SSBs sind gewaltig. Manche in der Batterieszene nennen sie den „Heiligen Gral“ oder einen „Game Changer“. „Das ist ein spannendes Arbeitsgebiet“, schwärmt Sarigiannidis. „Wir bei ­Evonik haben Expertise in den unterschiedlichsten Gebieten wie Elektro- und Polymerchemie, um hier erfolgreich sein zu können.“ Auch in der Partikeltechnologie und in den Materialwissenschaften gebe es jede Menge Know-how, die für Batterien relevant sei. 

Die erwarteten Wachstumsraten sind noch imposanter. Marktforschern zufolge könnte sich der weltweite Elektrofuhrpark (einschließlich Hybridmodelle) von knapp 45 Millionen Fahrzeugen im Jahr 2023 in den kommenden zehn Jahren auf 500 bis 800 Millionen Fahrzeuge vergrößern. Entsprechend würde die benötigte Batteriekapazität auf das Sieben- bis Zwölffache steigen. Das ist ohne Technologiesprünge kaum möglich.

Die größten Mankos der aktuellen Batteriegeneration: Das Laden dauert relativ lange, und die Reichweite ist zumeist bei 300 bis 400 Kilometern erschöpft. „Mit der bestehenden LIB-Technologie sind hier keine großen Sprünge mehr zu erwarten“, sagt Sarigiannidis.

Dass die bisherige Technologie an Grenzen stößt, hat zum großen Teil mit den bisher gängigen Elektrolyten zu tun, die auf einer organischen Flüssigkeit basieren. Mit dem Wechsel zu einem festen Elektrolyten würden auch neue Materialien für die Elektroden möglich. So besteht die bisher übliche Anode aus Graphit, in dem Lithium eingelagert ist. Mit einer Anode aus reinem Lithium ließe sich die Kapazität der Batterie deutlich steigern.

„Die potenzielle Speicherkapazität ist deutlich höher – um 30 bis 40 Prozent“, schwärmt der Ulmer Batterieforscher Maximilian Fichtner. Ein fester Elektrolyt erhöht aufgrund des Wegfalls der brennbaren organischen Flüssigkeit zudem die Sicherheit. Außerdem benötigt eine Feststoffbatterie keinen Separator mehr.

Etablierte Zellhersteller arbeiten längst an solchen Batterien, und namhafte Automobilhersteller unterstützen Start-ups, die an SSBs tüfteln. Mehr als 1,5 Milliarden US-$ wurden in den vergangenen Jahren dabei investiert. Auch Evonik will vom SSB-Markt profitieren und künftig Bausteine für Polymerelektrolyten an Batteriehersteller liefern.

Trotz intensiver Forschung weltweit habe es bisher aber noch kein Material zur Großserientauglichkeit gebracht. Jeder Kandidat sei mit Nachteilen verbunden. Sulfidische Substanzen etwa leiteten hervorragend die Lithium-Ionen, seien aber chemisch nicht sehr beständig, so Sarigiannidis. Generell haben anorganische Materialien das Manko, dass sie nicht flexibel sind. Diese Eigenschaft ist jedoch gefragt, damit bei den LIB-typischen Volumenschwankungen eine durchgehend gute Kontaktfläche zwischen Elektrolyt und Elektroden­material gewährleistet bleibt. Polymere als Feststoffe sind im Vergleich deutlich flexibler, dafür fällt die Leitfähigkeit zumeist ungenügend aus.

Immerhin gibt es schon ein vielversprechendes Polymer, das in der Lage ist, Lithium-Ionen gut zu leiten: Polyethylenoxid (PEO). Dabei handelt es sich um eine Kette von Ethyleneinheiten, die jeweils durch ein Sauerstoffatom miteinander verbunden sind. Ein Nutzfahrzeug mit einer Feststoffbatterie auf Basis eines solchen PEO-Elektrolyten sei bereits in Europa auf dem Markt, so Sarigiannidis. „Dieser Elektrolyt leitet Ionen allerdings erst ab 70 Grad Celsius gut“, räumt der Forscher ein. Sie müsste daher temperiert werden. Heizung und Isolierung erhöhen jedoch die Materialmenge und konterkarieren so die Gewichtsersparnis, die man mit SSBs eigentlich erreichen will.

PEO sollte dabei weiterhin eine Rolle spielen, weil dessen Sauerstoffatome die Ionenleitung unterstützen. „Bald kamen wir auf die Idee, PEO mit einem weiteren Polymer zu kombinieren“, sagt Blankenburg. Der Forscher spricht gern im Plural, aber sein Chef Sarigiannidis stellt schnell klar, dass die maßgeblichen Überlegungen auf seinen Mitarbeiter allein zurückgingen.

Blankenburgs Idee war es, ein Polymer mit einer PMMA-Hauptkette zu nutzen, die PEO in Form von Seitenketten enthält. Seitenketten sind kürzer, was für mehr Beweglichkeit sorgt. Diese Beweglichkeit ist neben dem Sauerstoff ein weiterer Faktor, der die Leitfähigkeit für die Lithium-Ionen fördert. Blankenburg wurde im eigenen Hause fündig: Die Kombination aus PEO und PMMA hatte Evonik in Darmstadt bereits entwickelt.

Um zu messen, wie gut solche Molekülkonstrukte Lithium-Ionen transportieren, halfen zunächst Kollegen beim Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Erst später begannen Sarigiannidis und Blankenburg, auch die Evonik-­Labore in Hanau zu nutzen. Inzwischen hat Blankenburg, der sein Büro anfangs wie Sarigiannidis in Marl hatte, seinen Arbeitsplatz komplett nach Hanau verlegt. Die Polymerschichten in den Petrischalen, die sich Sarigiannidis an diesem Tag vorführen lässt, sind das Ergebnis seiner dortigen Arbeit.

Um die Ionenleitfähigkeit über einen möglichst großen Temperaturbereich zu erhalten, waren noch Veränderungen wie die Optimierung der Länge der Seitenketten notwendig. Schließlich soll ein E‑Auto bei tiefen Minusgraden genauso gut funktionieren wie im Hochsommer. Viele Synthesen und Materialtests waren nötig. Auch dabei halfen zunächst die Partner vom KIT und später die Evonik-Kollegen bei Electrochemistry & Exploration in Hanau.

Seit Kurzem laufen dort die ersten Tests. Dazu stanzen die Mitarbeiter einen kleinen Kreis aus der Wackelpuddingschicht in den Petrischalen aus und bugsieren ihn, zusammen mit zwei Elektroden, in eine leere Knopfzelle. Dann wird diese Zelle in eine Apparatur eingespannt, in der verschiedene Stromstärken angelegt werden können und dann die Spannung aufgezeichnet wird.

„Das gibt uns Hinweise auf die Kapazität“, erklärt Dr. Frank Löffler, Materialwissenschaftler im Hanauer Labor. Über Langzeittests werde die Zyklusbeständigkeit und damit die Lebensdauer einer mög­lichen Batterie mit dem AmPEOMA-Elektrolyten ermittelt. Die Befunde für die Knopfzellen ließen sich auf das Verhalten in späteren LIB-Zellen für Autos übertragen, sagt Blankenburg.

Für die bisherigen Versuche haben die Evonik-Forscher Polymerschichten mit 200 Mikrometer Dicke hergestellt – ein Fünftel eines Millimeters. Später, in einer kommerziell tauglichen Batteriezelle, wird die Festelektrolyt­schicht vielleicht nur noch 20 Mikrometer messen, also dünner sein als ein menschliches Haar. Dass sich das Material in diesen Dimensionen herstellen lässt, ohne die gewünschten Eigenschaften zu verlieren– auch das muss das Team um Christos Sarigiannidis noch sicherstellen. Darüber hinaus will man die Ionenleitfähigkeit weiter steigern, um die Ladedauer zu verkürzen. Forscher hoffen, dass das vollständige Laden einer Feststoff­batterie eines Tages nicht viel länger dauern wird als das Füllen eines Benzintanks.

Und auch in Sachen höhere Reichweite stehen die Zeichen günstig. Denn SSBs werden mehr Energie je Kilogramm Batteriegewicht speichern, weil sie aufgrund der reinen Lithium-Anode eine größere Energiedichte haben. Bei derzeit marktüblichen LIBs liege diese bei maximal 250 Wattstunden je Kilogramm Batterie (Wh/kg), so Christos Sarigiannidis. Batterieexperten erwarten, dass eine SSB es auf bis zu 400 Wh/kg bringen könnte. In Labortests wurden sogar bereits Energiedichten bis zu 700 Wh/kg gemessen. Der Creavis-Forscher schätzt, dass SSBs von den 2030er-Jahren an in nennenswertem Umfang in Neufahrzeugen verbaut werden.