Festkörperbatterien Warum es den einen Produktionsprozess nicht gibt

Wer von der Produktion einer Festkörperbatterie spricht, greift zu kurz. Je nach Festelektrolyt entstehen völlig unterschiedliche Prozessketten – mit weitreichenden Folgen für Maschinenbauer, Anlagenhersteller und Batterieproduzenten.

Festkörperbatterien gelten als vielversprechender Kandidat für die nächste Generation von Energiespeichern. Während häufig über neue Elektrolytmaterialien, höhere Energiedichten oder verbesserte Sicherheitsmerkmale diskutiert wird, rückt mit Blick auf den industriellen Hochlauf eine andere Frage in den Vordergrund: Wie lassen sich diese Batterien wirtschaftlich und in großen Stückzahlen fertigen?

Die dritte Auflage des Leitfadens *Production of a Solid-State Battery Cell* des PEM der RWTH Aachen und des VDMA widmet sich genau dieser Fragestellung. Statt eine allgemeingültige Prozesskette zu beschreiben, zeigt die Publikation, dass sich die Fertigung maßgeblich nach dem jeweiligen Zellkonzept richtet. Die Wahl des Festelektrolyten beeinflusst nicht nur die Eigenschaften der Batterie, sondern ebenso Produktionsverfahren, Anlagentechnik und Qualitätsanforderungen.

Vier Elektrolytklassen – vier unterschiedliche Prozessketten

Ein zentrales Ergebnis des Leitfadens: Es gibt nicht den einen Produktionsprozess für Festkörperbatterien. Vielmehr unterscheiden sich die Fertigungsschritte je nach verwendetem Festelektrolyten deutlich.

Die Autoren unterscheiden vier grundlegende Materialklassen: Oxide, Sulfide, Polymere und Halide. Jede dieser Klassen besitzt spezifische elektrochemische Eigenschaften und stellt unterschiedliche Anforderungen an die industrielle Fertigung.

Oxidische Elektrolyte zeichnen sich durch eine hohe chemische Stabilität aus, erfordern jedoch meist Hochtemperaturprozesse wie das Sintern. Sulfidische Elektrolyte bieten eine hohe Ionenleitfähigkeit und lassen sich vergleichsweise gut verdichten, reagieren jedoch empfindlich unter normalen atmosphärischen Bedingungen. Dadurch entstehen besondere Anforderungen an Produktionsumgebung, Anlagentechnik und Arbeitsschutz. Polymerelektrolyte ermöglichen vergleichsweise einfache Verarbeitungsprozesse und flexible Zellkonzepte, erreichen jedoch häufig nicht die Leitfähigkeit keramischer Systeme. Halidische Elektrolyte kombinieren eine hohe elektrochemische Stabilität mit guten Leitfähigkeiten und gelten als vielversprechende Alternative für zukünftige Zellkonzepte.

Die Konsequenz: Bereits die Wahl des Elektrolyten entscheidet darüber, welche Fertigungsverfahren eingesetzt werden können und wie eine spätere Produktionslinie aufgebaut sein muss.

Bewährte Fertigungsschritte bleiben erhalten

Trotz des Technologiewechsels beginnt die Herstellung einer Festkörperbatterie nicht bei null. Zahlreiche etablierte Prozesse aus der Fertigung konventioneller Batteriezellen bleiben grundsätzlich erhalten. Dazu zählen unter anderem das Mischen der Aktivmaterialien, das Beschichten der Elektroden, Trocknungsprozesse sowie das Kalandrieren.

Der Leitfaden macht jedoch ebenso deutlich, dass diese bekannten Prozessschritte nur einen Teil der späteren Produktionskette ausmachen.

Der Festelektrolyt wird selbst zum Fertigungsprozess

Während der flüssige Elektrolyt heutiger Batterien vergleichsweise spät in den Fertigungsprozess eingebracht wird, bildet der Festelektrolyt bei All-Solid-State-Batterien einen eigenständigen Herstellungsbereich. Je nach Materialsystem kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz – etwa Strip Casting, Pressverfahren oder Hochtemperaturprozesse wie das Sintern keramischer Elektrolyte.

Damit rücken neue Qualitätsmerkmale in den Mittelpunkt der Fertigung. Schichtdicke, Homogenität, Porosität sowie die Qualität der Grenzflächen beeinflussen unmittelbar die Leistungsfähigkeit der späteren Zelle und stellen hohe Anforderungen an die Prozessbeherrschung.

Präzision entscheidet bei der Zellmontage

Auch die Zellassemblierung verändert sich gegenüber heutigen Batteriekonzepten. Der Leitfaden zeigt, dass viele Festkörperzellkonzepte auf gestapelte Zellarchitekturen setzen, da sich die verwendeten Materialien häufig nur eingeschränkt für gewickelte Aufbauten eignen.

Dadurch gewinnen hochpräzise Stapelprozesse, exakte Positionierung und definierte Presskräfte erheblich an Bedeutung. Bereits geringe Abweichungen an den Grenzflächen zwischen Elektroden und Festelektrolyt können den Ionentransport beeinträchtigen und damit die Leistungsfähigkeit der gesamten Zelle beeinflussen.

Maschinenbau wird zum Schlüssel der Serienfertigung

Der Leitfaden macht deutlich, dass der Erfolg von Festkörperbatterien nicht allein von neuen Materialien abhängen wird. Ebenso entscheidend ist die Entwicklung geeigneter Produktionsanlagen, mit denen sich die unterschiedlichen Zellkonzepte reproduzierbar, wirtschaftlich und in großen Stückzahlen fertigen lassen.

Für Maschinen- und Anlagenbauer eröffnet sich damit ein neues Entwicklungsfeld. Zwar können einzelne Prozessschritte aus der heutigen Batteriefertigung übernommen werden, gleichzeitig entstehen jedoch zahlreiche neue Anforderungen – von der Herstellung des Festelektrolyten über die Zellassemblierung bis zur Beherrschung komplexer Material- und Grenzflächenprozesse. Die Produktionslinie der Zukunft wird deshalb nicht universell sein, sondern sich je nach Zellchemie und Fertigungskonzept deutlich unterscheiden.

Weiterführende Informationen: Der Leitfaden Production of a Solid-State Battery Cell (3rd Edition) des PEM der RWTH Aachen und des VDMA beschreibt die verschiedenen Zellkonzepte, Materialsysteme und zugehörigen Produktionsprozesse detailliert.  (mr)

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