Meine Batterie ist besser als deine! … aber ist sie das wirklich?

Für die Erforschung von Festkörperbatterien, die langfristig auch in der E-Mobilität zum Einsatz kommen sollen, gibt es bisher keine einheitlichen Standards - obwohl weltweit Milliardenbeträge in diesen Bereich investiert werden. Forschende der Universität Bayreuth haben die Gründe dafür ermittelt und berichten in der Fachzeitschrift „Nature Energy“ darüber.

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What for?

Festkörper- oder All-Solid-State-Batterien (ASSB) versprechen eine deutliche Steigerung der Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Deshalb gelten sie als DER zükunftige Energiespeicher für die Elektromobilität. Doch in der Batterieforschung gibt es bisher kein einheitliches Protokoll für die Validierung von Festkörperbatteriezellen: Wenn Ergebnisse veröffentlicht werden, ist häufig nicht klar, ob sie überhaupt mit Ergebnissen anderer Forschungsgruppen vergleichbar sind. Daher muss die Ausgangslage für eine Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit von Zelltests geschaffen werden, um Innovationen bei dieser Technologie zuverlässig bewerten zu können.

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„Mindestens einmal pro Woche erfahren wir von einem neuen Durchbruch bei der Leistung von Batteriezellen, der die Elektromobilität oder die Energiespeicherung im Allgemeinen revolutionieren soll. Allerdings schaffen es nur sehr wenige dieser ‚hochgejubelten‘ Berichte in Anwendungen außerhalb des Labors. In vielen Fällen liegt das daran, dass nicht außerhalb des ursprünglichen Labors reproduziert werden können“, berichtet Prof. Dr. Nella M. Vargas-Barbosa, Inhaberin des Lehrstuhls für Elektrochemie am Bayerischen Zentrum für Batterietechnik (BayBatt) der Universität Bayreuth. Sie ist Hauptautorin eines jetzt veröffentlichten Artikels in „Nature Energy“ zu diesem Thema.

In dieser Studie haben die Forschenden gemessen, wie stark die Eigenschaften einfacher Testzellen de facto variiert: 21 Forschungsgruppen mit von Forschung und Industrie annerkanter Kompetenz für Festkörperbatterien wurden die gleichen Batteriematerialien und ein vordefiniertes elektrochemisches Testverfahren zur Verfügung gestellt - aber jede Gruppe wandte ihre eigene Methode für den Zusammenbau der Zellen und individuelle, nicht standardisierte Messtechnik an. „Wir berichten jetzt über die enormen Unterschiede in der Art und Weise, wie die Batteriezellen zusammengebaut wurden und wie sie im Vergleich abschnitten, einschließlich der Variationen beim angewandten Druck und der Zusammensetzung der negativen Elektrode.“ Die Streuung der Leistungsdaten der unterschiedlich gebauten Batteriezellen war am Ende immens. Auch wenn dies vielleicht besorgniserregend ist, so ist es doch ein erster Schritt in Richtung einer notwendigen Verbesserung. Die Studie hat einige der Bedingungen für die Zellvorbereitung identifiziert, die die Batterieleistung stark beeinflussen können, beispielsweise der Anteil von Lithium-Metall in der negativen Elektrode.

„Diese Studie ist etwas Besonderes, weil an ihr viele internationale Gruppen beteiligt sind, die auf dem Gebiet der Festkörperbatterien etabliert sind. Wir erkennen alle gemeinsam an, dass wir mehr tun müssen, um die Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit unserer Arbeiten, über die wir berichten, zu verbessern.“

Diese Studie ist unter anderem auch ein Teil der Arbeit des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Kompetenzclusters FestBatt mit über 180 Forschenden an 22 Forschungseinrichtungen in Deutschland. Neben den Bayreuther Arbeitsgruppen um Nella Vargas-Barbosa, Michael Danzer und Christian Plank sind auch die FestBatt-Partnereinrichtungen JLU Gießen (AG Janek), Universität Münster (AG Zeier), TU München (AG Gasteiger), Fraunhofer IWS (Batterietechnik, F. Hippauf) und Fraunhofer IFAM (Elektrische Energiespeicher, J. Schwenzel) an der Studie beteiligt.

Beteiligte Forschende an der Universität Bayreuth: Prof. Dr. Nella M. Vargas-Barbosa (Lehrstuhl für Elektrochemie und Mitglied im BayBatt), Prof. Dr. Michael Danzer (Lehrstuhl für Elektrische Energiesysteme und Mitglied im BayBatt), Dr. Christian Plank (Lehrstuhl für Elektrische Energiesysteme und Mitglied im BayBatt)

Förderung: FestBatt Kompetenzcluster gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF; Projekt 13XP0428A)

Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Nella M. Vargas-Barbosa
Lehrstuhl für Elektrochemie
Bayerisches Zentrum für Batterietechnik (BayBatt)
Universität Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 /55-4950
E-Mail: n.vargas-barbosa@uni-bayreuth.de

Originalpublikation:
Originalpublikation: Benchmarking the Reproducibility of All-Solid-State Battery Cell Performance. Nature Energie (2024)

DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-024-01634-3