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 zentrale Hürden überwinden und den Durchbruch ermöglichen.
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 beachtliche Entwicklung durchlaufen.
Doch die Technologie stößt 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, größere 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 kann die Lasertechnik entscheidende Beiträge leisten etwa durch selektives Sintern von Festelektrolyten, gezielte Strukturierung von Grenzflächen und das berührungsfreie Trennen duktiler Metalle. Damit kann sie sich als Schlüsseltechnologie auf dem Weg von der Laborzelle zur industriellen Festkörperbatterie erweisen.
Zahlreiche 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 Automobilhersteller 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«, erklärt 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 zunächst begrenzt. Die Produktionsinfrastruktur ist im Aufbau, und etablierte Lithium-Ionen-Systeme entwickeln 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.
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«, sagt Ribbeck.
Ein Forschungsansatz am Fraunhofer ILT ist die Verarbeitung oxidkeramischer Festelektrolyte wie LLZO. Dieses Material gilt als besonders vielversprechend, da es gegenüber Lithium-Metall-Anoden eine hohe elektrochemische Stabilität aufweist und im Vergleich zu sulfidhaltigen Elektrolyten weniger reaktiv gegenüber Umgebungsbedingungen ist.
»Am Fraunhofer ILT untersuchen wir, wie sich Laserstrahlung als lokal begrenzte und hochdynamische Energiequelle nutzen lässt, um LLZO-Schichten gezielt zu verdichten«, erklärt Florian Ribbeck. »Der Vorteil liegt in der schnellen Aufheizung bei gleichzeitig kontrollierter Abkühlung. So lassen sich Lithiumverluste reduzieren und Temperaturinkompatibilitäten innerhalb des Zellverbunds vermeiden.«
Erste Experimente zeigen homogene Verdichtungen, auch wenn Rissbildung und Delaminationen weiterhin ein zentrales Forschungsthema bleiben. Neben LLZO werden NASICON-artige Elektrolyte wie Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP) untersucht, die ähnliche Prozessanforderungen, aber andere Stabilitätsfenster aufweisen.
Neben der Verdichtung der Elektrolytschichten ist die Qualität der Grenzfläche zur Lithium-Metall-Anode entscheidend für die Leistungsfähigkeit von Festkörperzellen. »Hier treten oft hohe Übergangswiderstände auf, die das elektrochemische Verhalten limitieren«, erläutert Tim Rörig aus der Gruppe Oberflächenstrukturierung am Fraunhofer ILT die Herausforderung. »Außerdem erschwert die geringe Benetzbarkeit der Keramikoberflächen eine homogene Lithiumabscheidung.«
Rörig und Ribbeck untersuchen daher, wie sich die Grenzflächen durch gezielte Laserstrukturierung optimieren lassen. Mit ultrakurzen Laserpulsen im Femtosekundenbereich bringen sie Mikrostrukturen in die Oberfläche des Festelektrolyten ein. Diese Strukturen erhöhen die effektive Kontaktfläche und begünstigen eine gleichmäßigere Verteilung des Stroms, wodurch sich die Grenzflächenimpedanz potenziell reduzieren lässt. »Wir haben gezeigt, dass sich reproduzierbare Strukturen im Bereich von rund 30 µm erzeugen lassen«, erklärt Rörig.
Die bisherigen Ergebnisse verdeutlichen jedoch auch die Komplexität der Wechselwirkung. Während die strukturierten Oberflächen in einzelnen Fällen eine verbesserte Benetzung zeigten, stieg der Gesamtwiderstand der Zelle mitunter an. Die Forscher vermuten, dass dabei sowohl Veränderungen der Kristallstruktur als auch prozessbedingte Defekte eine Rolle spielen.
Mit Raman-Spektroskopie und weiteren analytischen Verfahren charakterisieren die Forschenden derzeit die strukturellen Veränderungen im Kristallgitter nach der Laserbearbeitung. Parallel untersuchen sie das gezielte Li-Plating, um die Kontaktierung besser zu steuern, sowie Konzepte sogenannter »anodeless batteries«, bei denen das Lithium erst beim ersten Ladeprozess abgeschieden wird.
Ein weiterer Schwerpunkt am Fraunhofer ILT liegt auf der Trennung von Lithium-Metallfolien für den Einsatz als Anodenmaterial. »Lithium-Metall gilt als zentrale Komponente für die nächste Generation von Hochenergiezellen, stellt die Fertigungstechnik jedoch vor erhebliche Herausforderungen«, erläutert Stoyan Stoyanov. »Das Material ist weich, hochadhäsiv und extrem reaktiv. Konventionelle mechanische Verfahren wie Rollmesser oder Stanzen führen schnell zu Verschmierungen, Verkleben der Werkzeuge und inhomogenen Schnittkanten.« Darüber hinaus seien mechanisch nur lineare Schnittgeometrien realisierbar, was die Flexibilität im Zelllayout stark einschränkt. Die Lasertechnik eröffnet hier neue Möglichkeiten. Als kontaktloses und verschleißfreies Verfahren ermöglicht sie präzise Schnitte und erlaubt flexible Konturen.
Doch sowohl mechanische als auch laserbasierte Prozesse erfordern eine Verarbeitung ausschließlich in abgeschlossenen Inertgas- oder Trockenraumatmosphären. Diese sind für den sicheren Umgang mit Lithium zwingend erforderlich, bringen jedoch eigene verfahrenstechnische Herausforderungen mit sich. »Argon eignet sich besonders gut, weil es die Oxidation verhindert und dadurch gleichmäßige Kanten ermöglicht, ist aber kostspielig«, erklärt Stoyanov. »Stickstoff ist zwar deutlich günstiger, führt aber zur Bildung von Lithium-Nitriden. Atmosphären mit Wassergehalt begünstigen dagegen Oxide und Hydroxide.« Solche Reaktionsprodukte erhöhen den Energiebedarf des Prozesses und können zugleich die elektrochemischen Eigenschaften der Elektrode verschlechtern.
Es laufen zwar bereits Studien, die auf kostengünstigere Prozessumgebungen abzielen und dabei den Ablauf der Wechselwirkungen an der Lithiumoberfläche besser kontrollieren sollen. »Diese Ansätze stehen jedoch noch ganz am Anfang. In unserem eigenen Labordemonstrator setzen wir deshalb auf eine reine Argon-Atmosphäre mit einem Taupunkt unter –70 °C. Andere Gasumgebungen lassen sich prinzipiell aber ebenfalls realisieren.«
Eine zusätzliche Herausforderung besteht darin, Partikel und Spritzer zu vermeiden, die beim Laserprozess entstehen können. Sie beeinträchtigen die Oberflächenqualität und führen zu Defekten im späteren Zellverbund. Deshalb entwickeln Stoyanov und sein Team Prozessstrategien, um die Ablation gezielt zu steuern und Emissionen effizient abzuführen.
Ultrakurzpulslaser, die mit Pulsdauern im Picosekundenbereich arbeiten, sind eine Option, um qualitativ hochwertige Schnittkanten zu erhalten, die frei von kritischer Bartbildung sind und eine minimale wärmebeeinflusste Zone aufweise. Das Team untersucht auch technologisch einfacher zu integrierende und wirtschaftlich interessante Optionen wie den Einsatz von Nanosekunden-Lasern, die bei geringeren Investitionskosten eine akzeptable Schnittqualität ermöglichen. Parallel arbeiten die Forschenden an Konzepten zur Integration der Laserprozesse in skalierbare Produktionsumgebungen, etwa mithilfe kompakter Mini-Environments, die gezielt mit Inertgas gespült werden können.
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 wertvolle Referenz. Viele Prozessschritte von der Elektrodenfertigung über die Zellassemblierung bis hin zur Endbearbeitung sind prinzipiell vergleichbar, wenngleich die Anforderungen bei Festkörperzellen deutlich höher ausfallen.
Lasertechnologien sind in der Lithium-Ionen-Fertigung bereits etabliert. Sie kommen beim Laserslitting zum Einsatz, also dem präzisen Längsteilen von Elektrodenfolien, beim Lasertrocknen, um Lösungsmittel schnell und energieeffizient zu entfernen, oder beim Lasernotching, dem Ausklinken der Stromableiter. Diese Erfahrungen lassen sich in weiten Teilen auf Festkörperzellen übertragen. Allerdings steigen die Ansprüche an Präzision, Reinheit und Materialstabilität erheblich: selbst kleinste Partikel, Defekte oder chemische Veränderungen können die Funktion der Zellen beeinträchtigen.
»Deshalb gewinnen Laserprozesse weiter an Bedeutung«, glaubt Stoyanov. »Ihre berührungsfreie, selektive Energieeinbringung ermöglicht eine hochpräzise Bearbeitung, die sich in geschützte Umgebungen wie Trockenräume oder Mini-Environments integrieren lässt. Damit wird der Laser zu einem Werkzeug, mit dem sich sowohl die Materialanforderungen erfüllen als auch die strengen Umgebungsbedingungen berücksichtigen lassen.«
So lassen sich die im Labor entwickelten Prozessketten in eine industrielle Logik übertragen. Wo heute noch hohe Ausschussraten und lange Anlaufzeiten dominieren, können laserbasierte Verfahren einen entscheidenden Beitrag leisten, die Skalierbarkeit und Wirtschaftlichkeit von Festkörperbatterien zu sichern.
Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT bündelt seine Kompetenzen entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Festkörperbatterie. Im Fokus stehen laserbasierte Fertigungsschritte, die sowohl für die Materialentwicklung als auch für die spätere Industrialisierung entscheidend sind. Dazu gehören das Lasersintern von Festelektrolyten, die Laserstrukturierung zur Optimierung von Grenzflächen, das Lasertrennen von Lithium-Metallfolien sowie Verfahren zur Kontaktierung und Integration in den Zellverbund.
Während die eine Gruppe die Eigenschaften und Grenzen neuer Elektrolyte und Anodenmaterialien untersucht, entwickelt ein andres Team Verfahren, um diese Materialien prozesssicher und skalierbar zu bearbeiten. »Diese doppelte Perspektive erlaubt es, frühzeitig die Brücke zwischen Labordemonstration und industrieller Umsetzung zu schlagen«, resümiert Ribbeck.
Dennoch werden Festkörperbatterien die etablierten Lithium-Ionen-Zellen nicht so schnell verdrängen, auch wenn sie neue Perspektiven für Anwendungen eröffnen, 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 ergibt sich hier eine besondere Chance. Während der Massenmarkt für Lithium-Ionen-Zellen stark von asiatischen Herstellern geprägt ist, besteht im Bereich der Festkörpertechnologie noch kein gefestigtes industrielles Monopol. Unternehmen und Forschungseinrichtungen können sich frühzeitig positionieren, Standards mitgestalten und neue Wertschöpfungsketten aufbauen.
Die Sicherheit, Langlebigkeit und Leistungsfähigkeit von Batterien hängen maßgeblich vom Batteriemanagement ab. Sensorintegration und der Einsatz von KI bieten hier transformative Möglichkeiten, um diese Anforderungen zu erfüllen. Forschende am Fraunhofer ILT drucken nur wenige Mikrometer dicke Sensoren direkt auf Bauteile. Diese smarten Sensoren ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung beispielsweise von Temperaturen und Kräften oder sogar von chemischen Veränderungen innerhalb der Batterien. KI-gestützte Algorithmen analysieren die großen Datenmengen in Echtzeit und treffen Vorhersagen über die Lebensdauer der Zellen. Diese Systeme ermöglichen es außerdem, Prozesse während der Produktion dynamisch anzupassen, etwa durch die Optimierung von Temperaturprofilen während der Zellassemblierung oder die Anpassung von Laserschweißparametern. |
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT