Bislang galten besonders für Schwerlastverkehr, Schiffsmotoren und Triebwagen-Elektroantriebe die Vorhersage, dass sich Wasserstoff als „Brennstoff“ in der Brennstoffzelle durchsetzen würde. Zu groß und zu schwer wären die für solche Lasten benötigten Lithium-Ionen-Batterien. Doch ein deutsch-niederländisches Kooperationsnetzwerk könnte mit ihrer neuartigen Festkörperbatterie dies womöglich wieder ändern.
Schon lange gelten Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien als die ideale Kombination aus Leistungsdichte, Robustheit und Schnellladefähigkeit. Bislang bestand jedoch unter anderem die Problematik, dass durch die Umlagerung der Ionen beim Lade- und Entladevorgang eine Volumenänderungen der Reaktionspartner erfolgte. Dies führt zu Spannungen innerhalb des Festkörperstruktur der Batterie und damit zu einer schnellen Verschlechterung der Leistungsfähigkeit. Ausserdem war die geringe Ionenleitfähigkeit der Festkörper-Membran (Keramikschicht) zwischen der Anode und Kathode eine Begrenzung bei der Hochstrom-Belastung solcher Batterien. Schnellladung ist zwar möglich, lässt aber beim heutigen Stand der Entwicklung die Zellen altern. Unternehmen wie Varta, Quantum Scape oder Solid Power forschen bereits lange an der Festkörperbatterie – Serienreife erreichten bislang jedoch nur kleine Baugrößen.
Das Problem der ungenügenden Ionenleitfähigkeit umgehen die Forscher vom Fraunhofer Institut und der niederländischen Forschungseinrichtung TNO (The Netherlands Organisation) durch eine pfiffige Methode. Sie gibt dem neu gegründeten Unternehmen seinen Namen: SALD.
Hinter diesem Fachbegriff (SALD: Spatial Atom Layer Deposition) verbirgt sich eine altbekannte Methode zur Abscheidung dünner Lagen durch Gasphasenabscheidung (CVD) in einer Reaktionskammer. Durch das nacheinander ablaufende Auftragen atomdünner Lagen können Anode, Seperator (Ionenleitschicht) und Kathode in sehr dünnen Schichten aufgebaut werden. Durch eine spezielle dreidimensionale Ausführung der Abscheidung der einzelnen, hauchdünnen Schichten erreicht man zweierlei: die Fläche der Elektrodenflächen sind sehr groß und die Abstände zueinander sehr gering. Man hat also viel Fläche zum Speichern von Energie und die Ionen haben nur einen kurzen Weg von der Kathode zur Anode. Ideale Voraussetzungen für das, was die neue Batterie auszeichnet: Sie kann etwa 3 mal so viel Energie pro Liter Rauminhalt speichern und 5 mal so schnell geladen werden wie herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus.
Die Vision ist, dass Handys etliche Tage lang nicht geladen werden müssen und Elektrofahrzeuge über 1000 km weit fahren können, ohne beim Ladevorgang für Stunden festzusitzen. Das ambitionierte Ziel sind sogar 2.000 km, womit man eindeutig in den Bereich der Wasserstoff-Antriebe eindringen würde. Denn dann ist der wesentliche Vorteil von Wasserstoff – hohe Energiedichte bei geringem Gewicht – nicht mehr gültig. Der Umwandlungsprozess von Wasser in Wasserstoff (Elektrolyse) und zurück in Wasser und Antrieb (Brennstoffzelle) ist erheblich verlustreicher wie eine elektrische Batterie, aus der man mehr als 90% der eingespeisten Energie auch wieder entnehmen kann.
Noch ist die Technik nicht dem Labormaßstab entwachsen, jedoch wird jedoch bereits eine erste größere Versuchsanlage für Serienproduktionsverfahren entwickelt. Sollte ab 2022/23 tatsächlich eine SALD-Batterie mit enormer Energiedichte und kurzen Ladezyklen zur Verfügung stehen, hätte die Batterie das Potential zum Game-Changer.
Die hinter dem Forschungsprojekt stehenden Batteriehersteller und Automobilkunden sehen in der mit Forschungsgeldern aus Deutschland, den Niederlanden und der EU finanzierten Entwicklung eine großartige Chance, der Elektromobilität einen zusätzlichen Schub zu ermöglichen – und womöglich zu den Batterien von TESLA aufzuschließen.
11/2020 Copyright Gerald Friederici