Sichere High-Tech-Batterien für Elektroautos und Laptops
Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit die wichtigsten elektrischen Energiespeicher. Die Betriebssicherheit hängt dabei entscheidend von Separatoren ab, die für eine räumliche Trennung der Elektroden sorgen. Mit dem Ziel, die Sicherheit von High-Tech-Batterien weiter zu erhöhen und zugleich ihre Lebensdauer zu verlängern, wird die Universität Bayreuth gemeinsam mit namhaften Industriepartnern neuartige Separatoren aus Glas entwickeln. Das Verbundprojekt „Glas-Separatoren für Lithium-Ionen-Batterien (GlasSeLIB)“ startet am 1. März 2021 und wird von der Bayerischen Forschungsstiftung in den nächsten drei Jahren mit mehr als 375.000 Euro gefördert.
Koordinator des Verbundprojekts ist das KeyLab Glastechnologie der Universität Bayreuth, das am Lehrstuhl Keramische Werkstoffe angesiedelt ist. Forschungspartner sind der Lehrstuhl für Werkstoffverfahrenstechnik an der Universität Bayreuth sowie vier Unternehmen: die Füller Glastechnologie GmbH, die Vitrulan Glass Textile GmbH, die Varta Microbattery GmbH und die Tesla Germany GmbH am Standort München. Die Forschungsarbeiten werden in enger Kooperation mit dem Bayerischen Zentrum für Batterietechnik (BayBatt) durchgeführt, einer zentralen wissenschaftlichen Einrichtung der Universität Bayreuth.
Bei den angestrebten neuen Separatoren handelt es sich um filigrane Glasmembranen. Im Unterschied zu bisherigen Separatoren besitzen sie eine hervorragende Temperaturbeständigkeit bis mindestens 500 Grad Celsius. Mit ihrer Hilfe wird es möglich sein, die Betriebssicherheit von Batterien in Elektrofahrzeugen, Laptops, Smartphones und zahlreichen anderen High-Tech-Anwendungen weiter zu erhöhen. Zugleich sollen die neuen Separatoren die Alterung der Batteriezellen verlangsamen. Hierfür muss eine spezielle Glaszusammensetzung entwickelt werden, die sich durch eine hohe chemische Aktivität auszeichnet. Allerdings sind diese Vorteile nur gegeben, wenn es gelingt, extrem dünne Membranen herzustellen. „Eine Reduzierung der Glasmembranen auf unter 20 Mikrometer ist für uns eine große fertigungstechnische Herausforderung. Sie ist aber zwingend erforderlich, um zu gewährleisten, dass die Betriebssicherheit von Batterien steigt oder zumindest erhalten bleibt, falls künftige Innovationen ihre Leistungsfähigkeit – beispielsweise ihre Speicherkapazität – signifikant erhöhen“, sagt Projektleiter Prof Dr.-Ing. Thorsten Gerdes vom Keylab Glastechnologie.
Um sicherzugehen, dass die in Bayreuth entwickelten Glasmembranen die an sie gestellten Anforderungen auch tatsächlich erfüllen, werden sie in den Laboratorien der Industriepartner Varta und Tesla getestet. “Die enge Zusammenarbeit im Verbundprojekt ist darauf ausgerichtet, dass wir in drei Jahren über neuartige Separatoren verfügen, die einen betriebssicheren Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in der High-Tech-Elektronik gewährleisten“, sagt Gerdes.
Bislang werden in der Regel mikroporöse Polymerfolien als Separatoren in Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Sie werden bei einer Überhitzung der Zelle rasch instabil. Zudem ist ihre ionische Leitfähigkeit im Elektrolyten gering. Um die Nutzungszeiten tragbarer Endgeräte immer weiter zu verlängern oder die Reichweiten von Elektrofahrzeugen zu vergrößern, sehen sich die Hersteller von Batteriezellen heute gezwungen, den Anteil chemisch aktiver Materialien zu erhöhen und den Anteil chemisch passiver Materialien zu verringern. Dies aber ist problematisch, falls es sich – wie bei den Polymerfolien – um sicherheitsrelevante Materialien handelt. Die daraus entstehenden Risiken lassen sich jedoch von vornherein vermeiden, wenn dünne Glasmembranen die Polymerfolien ersetzen. Wenn das Projekt erfolgreich ist, werden die neuen Glasmembranen Lithium-Ionen-Batterien noch sicherer und leistungsfähiger machen.
An der Universität Bayreuth entwickelter Glasseparator für Lithium-Ionen-Batterien. Für einen großtechnischen Einsatz muss die Dicke nochmals deutlich gesenkt werden. Foto: UBT/Uli Schadeck.
