Industrielle Fertigung von Festkörperakkus: Chancen und Herausforderungen

Festkörperbatterien versprechen mehr Sicherheit, höhere Energiedichte und neue Freiheitsgrade im Zelldesign. Doch der Weg von der Laborzelle zur industriellen Fertigung ist komplex. Doch Laserprozesse können laut dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT zentrale Hürden überwinden und den Durchbruch ermöglichen. Daran arbeiten sie und berichten in diesem Zusammenhang über die Herausforderungen von Batterien mit festem statt flüssigem Elektrolyt.

Lithium-Ionen-Batterien sind der Standard für elektrische Energiespeicher – von Unterhaltungselektronik über Elektromobilität bis hin zu stationären Speichern und haben in den vergangenen Jahren eine große Entwicklung durchlaufen. Die Technologie stößt aber an physikalische Grenzen. Die Energiedichte wächst nur noch langsam, die Sicherheit bleibt wegen flüssiger Elektrolyte eingeschränkt, und die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen wie Nickel, Mangan oder Kobalt ist ungelöst.

Festkörperbatterien gelten daher als nächste Generation elektrochemischer Speicher. Sie versprechen höhere Energiedichten durch Lithium-Metall-Anoden, mehr Sicherheit und ein breiteres Temperaturfenster dank fester Elektrolyte sowie neue Freiheitsgrade im Zellaufbau. Noch stehen sie allerdings vor der industriellen Reife. Materialien wie Lithium-Metall und sulfidhaltige Elektrolyte erfordern neue Prozessstrategien, und die Fertigung verlangt Investitionen in spezialisierte Trocken- oder Inertgasumgebungen.

Hier könne die Lasertechnik entscheidende Beiträge leisten etwa durch selektives Sintern von Festelektrolyten, gezielte Strukturierung von Grenzflächen und das berührungsfreie Trennen duktiler Metalle, so das Fraunhofer ILT. Damit könne sie sich als Schlüsseltechnologie auf dem Weg von der Laborzelle zur industriellen Festkörperbatterie erweisen.

Diverse Hersteller treiben derzeit die Entwicklung von Festkörperzellen voran. Asiatische Unternehmen wie Toyota, BYD, Samsung SDI und SVOLT haben ambitionierte Zeitpläne für Pilotproduktionen ab 2027 veröffentlicht. Auch europäische Autobauer wie Mercedes-Benz und Stellantis erproben gemeinsam mit Partnern erste „Semi-Solid-State“-Konzepte, während Nissan in Yokohama bereits eine Pilotfabrik errichtet. Diese Aktivitäten zeigen: Die Technologie verlässt zunehmend das Labor und nähert sich der industriellen Umsetzung.

„Der zentrale Vorteil von Festkörperbatterien liegt in ihrer intrinsischen Sicherheit“

„Der zentrale Vorteil von Festkörperbatterien liegt in ihrer intrinsischen Sicherheit“, sagt der Physiker Stoyan Stoyanov aus der Gruppe Trennen vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. „Da sie auf flüssige Elektrolyte verzichten, entfällt das Risiko von Leckagen oder thermisch bedingten Brandereignissen. Außerdem hemmt die hohe mechanische Stabilität vieler Festelektrolyte die Ausbildung von Lithium-Dendriten, die in konventionellen Zellen die Hauptursache für interne Kurzschlüsse sind.“

Neben der Sicherheit treibt vor allem die höhere Energiedichte das Interesse an. Lithium-Metall-Anoden mit einer spezifischen Kapazität von 3860 mAh g⁻¹ übertreffen Graphit-Anoden um ein Vielfaches. In Kombination mit dünnen, festen Elektrolyten lassen sich so Reichweiten- und Gewichtsvorteile erzielen, ein entscheidender Faktor für Elektromobilität und Luftfahrt.

Erste Anwendungsfelder entstehen dort, wo maximale Sicherheit und Leistung entscheidend sind: in der Luft- und Raumfahrt, im Motorsport, in der Medizintechnik oder in Hochsicherheits-Datenspeichern. Hier rechtfertigt die höhere Energiedichte die komplexe Fertigung. Für den Massenmarkt bleibt die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit den Fraunhofer-Forschern zufolge zunächst begrenzt. Die Produktionsinfrastruktur sei im Aufbau, und etablierte Lithium-Ionen-Systeme entwickelten sich parallel weiter.

„Festkörperbatterien werden auf absehbare Zeit parallel zu konventionellen Lithium-Ionen-Zellen existieren und vor allem besonders anspruchsvolle Anwendungen bedienen in der Automobilindustrie etwa den Markt der Oberklassefahrzeuge“, meint Stoyanov.

Herausforderungen in der Fertigung

So vielversprechend die Potenziale der Festkörperbatterie sind, so groß sind die Hürden bei der industriellen Umsetzung. Besonders der Umgang mit Lithium-Metall-Anoden stellt hohe Anforderungen: Das Material ist zwar wegen seiner außergewöhnlich hohen spezifischen Kapazität attraktiv, erweist sich in der Verarbeitung jedoch als extrem empfindlich. Es reagiert stark mit Sauerstoff und Feuchtigkeit, bildet leicht Passivschichten und kann sich bei mechanischer Belastung entzünden. Konventionelle Schneid- oder Walzverfahren stoßen hier schnell an ihre Grenzen.

Auch auf der Seite der Festelektrolyte treten grundlegende Schwierigkeiten auf. Oxidkeramische Materialien wie Lithium-Lanthan-Zirkonat (LLZO) müssen bei rund 1200 °C gesintert werden. Dabei kommt es häufig zu Lithiumverlusten und Nebenphasen, welche die Ionenleitfähigkeit mindern. Solche Verluste sind nicht nur ein technologisches, sondern auch ein wirtschaftliches Problem, da sie teure Rohstoffe unbrauchbar machen. Mit sogenannten Opferpulvern lassen sich diese Effekte zwar teilweise kompensieren, der Prozess bleibt aber komplex und empfindlich gegenüber kleinsten Schwankungen.

„Ein weiteres Nadelöhr ist die Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Anode. Hohe Übergangswiderstände mindern die Leistungsfähigkeit und erhöhen die Gefahr von Inhomogenitäten beim Lithium-Plating und -Stripping. Die Beherrschung dieser Grenzflächenchemie ist die Basis für stabile und langlebige Zellen“, erklärt Florian Ribbeck aus der Gruppe Hochtemperatur-Funktionalisierung am Fraunhofer ILT.

Neben diesen materialspezifischen Aspekten stellen die Produktionsbedingungen selbst eine große Herausforderung dar. Festkörperbatterien erfordern durchweg Inertgas- oder Trockenraumatmosphären, die hohe Investitionen in die Infrastruktur bedingen. Erste Analysen zeigen, dass im industriellen Hochlauf Ausschussraten von bis zu 30 Prozent auftreten können, was Verluste in Millionenhöhe pro Tag nach sich zieht.

Schon bei etablierten Lithium-Ionen-Linien ist die hohe Ausschussrate ein akutes Problem. Bei Festkörperzellen verstärkt sich dieses Problem, da für die noch nicht standardisierten Materialien bislang keine geschlossenen Recyclingpfade existieren. Jeder defekte Prototyp bedeutet daher nicht nur ökonomischen Schaden, sondern auch den Verlust von wertvollen Rohstoffen. „Laserbasierte Verfahren können hier dazu beitragen, die Prozessstabilität zu erhöhen und Ausschuss von vornherein zu vermeiden“, so Ribbeck.

Brücke zur industriellen Umsetzung

Die Überführung von Festkörperbatterien aus dem Labor in die industrielle Fertigung erfordert nicht nur neue Materialien, sondern auch oder vor allem belastbare Prozesse. Hier bietet die Produktion von Lithium-Ionen-Zellen eine Referenz. Viele Prozessschritte von der Elektrodenfertigung über die Zellassemblierung bis hin zur Endbearbeitung sind prinzipiell vergleichbar, wenngleich die Anforderungen bei Festkörperzellen deutlich höher ausfallen.

Festkörperbatterien werden laut den Fraunhofer-Forschern die etablierten Lithium-Ionen-Zellen nicht so schnell verdrängen – auch wenn sie neue Perspektiven für Anwendungen eröffneten, die höchste Anforderungen an Sicherheit und Energiedichte stellen. „Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Hochleistungsfahrzeuge oder eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, die sogenannte USV, für Rechenzentren und Krankenhäuser sind Beispiele, in denen die Vorteile fester Elektrolyte den Mehraufwand rechtfertigen“, meint Stoyan Stoyanov. Mittel- bis langfristig könnte mit sinkenden Produktionskosten auch der Schritt in breitere Märkte gelingen.

Für Europa ergebe sich hier eine besondere Chance. Während der Massenmarkt für Lithium-Ionen-Zellen stark von asiatischen Herstellern geprägt sei, bestehe im Bereich der Festkörpertechnologie noch kein gefestigtes industrielles Monopol. Unternehmen und Forschungseinrichtungen könnten sich frühzeitig positionieren, Standards mitgestalten und neue Wertschöpfungsketten aufbauen.