Prof. Guillon: „Die Herausforderung bei der Festkörperbatterie-Technologie besteht darin, die verschiedene Probleme parallel und in relativ kurzer Zeit zu lösen“

Redaktion: Sehr geehrter Herr Prof. Olivier Guillon, neben Forschungen zur Feststoffoxid Brennstoff- und Elektrolysezelle und zahlreichen weiteren Forschungsthemen zum Beispiel zu innovativen Werkstoffen, entwickeln Sie aktuell Lithium- & Natrium- Festkörperbatterien. Welche Vorteile sehen Sie in Ihren Festkörperbatterien und in diesem Batterietyp allgemein im Vergleich zum gängigen Stand der Technik?

Prof. Olivier Guillon: Die Vorteile sind zweier Natur: Einerseits eine erhöhte Sicherheit und Lebensdauer, andererseits größere Kapazitäten. Erhöhte Sicherheit und Zyklierbarkeit versprechen den Betrieb unter extremeren Bedingungen und benötigen weniger komplexe BMS. Größere Kapazitäten sind möglich, wenn neue Elektrodenmaterialien miteinander kombiniert werden können. Ich denke zum Beispiel an Li-Metall oder -Legierungen auf der Anodenseite, die prinzipiell durch den Einsatz von Festelektrolyten ermöglicht werden können.

Redaktion: Was sind in diesem Kontext die größten Herausforderungen, auf die Sie bei der Festkörperbatterie-Technologie stoßen?

Prof. Olivier Guillon: Festkörperbatterien beruhen auf neuen Materialkombinationen, die neue elektrochemischen Abläufe verursachen und neue Herstellungsprozesse erfordern. Die Li-Ionenbatterie wurde evolutionär über Jahrzehnte weiterentwickelt; die Herausforderung bei der Festkörperbatterie-Technologie besteht darin, die verschiedene Probleme parallel und in relativ kurzer Zeit zu lösen.

Redaktion: Bis wann halten Sie eine Etablierung der Festkörperbatterie auf dem Massenmarkt für möglich?

Prof. Olivier Guillon: Wenn alles gut geht, wird es mindestens 10 Jahre dauern. Es gibt schon verschiedene Arten von Festkörperbatterien auf dem Markt, allerdings in eher kleineren Serien.

Redaktion: Die elektrochemische Bewegung von Lithium-Ionen in aktuellen Batterien zur Energiespeicherung und -freigabe ist weithin verstanden und gängiger Stand der Technik. Sie entwickeln jedoch auch Natrium-Ionen-Batterien. Welche Vorteile bringt der Einsatz des Elements Natrium?

Prof. Olivier Guillon: Wir entwickeln Na-Festkörperbatterien, die Ähnlichkeiten aber auch Unterschiede zu Li-basierten Batterien zeigen: Obwohl größer als Lithium ist das Natrium-Ion in manchen keramischen Elektrolyten sehr mobil.  Wir haben ein ausgezeichnetes Material entwickelt, welches frei von kritischen Elementen, leicht prozessierbar und sehr stabil ist. Wenn Kobalt freie Kathoden eingesetzt werden, bieten Na-Festkörperbatterien eine interessante Alternative zur Li-Technologien, allerdings mit etwa niedrigeren Energiedichten.

Redaktion: Teil Ihrer Forschung sind auch die sogenannten Dünnschichtbatterien. Welchen Mehrwert sehen Sie insbesondere für diese Technologie?

Prof. Olivier Guillon: Dünnschichtbatterien sind interessant für implantierbare medizinische Geräte, tragbare Elektronik, Internet of Things und die Industrie 4.0, die eine Vielzahl von kleinen Stromversorgungseinheiten benötigen. Dünnschichten sind für alle Batterietechnologien relevant.

Redaktion: Immer wieder ist die Lithium-Schwefel-Batteriezelle in der Wissenschaft präsent, die als besonders effizient jedoch wenig Zyklen stabil gilt. Wie stehen Sie zu dieser Technologie? Gibt es auch bei Ihnen Forschungen hierzu?

Prof. Olivier Guillon: Hier bieten auch Festelektrolyte wegen ihrer Stabilität ein vielversprechendes Verhalten. Das haben wir in einem Projekt mit der Justus-Liebig-Universität Gießen vor kurzem gezeigt, in dem Oxid- und Thiophosphat-Elektrolyte erfolgreich kombiniert wurden.

Redaktion: Wie schon erwähnt entwickeln Sie auch die Feststoffoxid Brennstoff- und Elektrolysezelle. Können Sie uns sagen in welchem Stadium sich Ihre Forschungen zu diesen Themen befinden?

Prof. Olivier Guillon: Natürlich sind wir hier viel weiter als bei den Festkörperbatterien, da in Jülich seit mehr als 25 Jahren zu diesem Thema geforscht wird. Wir konnten die wesentliche Alterungsprozesse identifizieren und beseitigen, so dass Langzeitversuche mit sehr geringen Degradationsraten durchgeführt werden können.

Redaktion: In wie weit sehen sie in Bezug zur Vorfrage hier massenmarkttaugliche Technologiealternativen zur Energiespeicherung?

Prof. Olivier Guillon: Es wird zur Zeit allen klar, dass nicht nur eine einzige Technologie den Gesamtbedarf abdecken kann. Neben elektrochemischen Speichern sind Technologien für die Produktion und Umwandlung von chemischen Energieträgern wie Wasserstoff und synthetischen Kraftstoffen erforderlich. Wasserstoff ist sehr wichtig für eine tiefergreifende Dekarbonisierung der Industrie. Die dafür benötigte Elektrolyse- und Brennstoffzellen, Stacks und Systeme werden heute schon industriell produziert, jedoch aktuell noch in relativ moderaten Stückzahlen. Die Preise werden mit der breiteren Diffusion dieser Technologien sinken, denn es gibt wie bei der Batteriezellfertigung einen starken Skaleneffekt.

Redaktion: Brennstoffzelle, Traktionsbatterie und Verbrennungsmotor, welche Energiequelle treibt uns im Jahr 2030 an?

Prof. Olivier Guillon: Wie schon erwähnt sind mehrere, komplementäre Lösungen wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll. Für PKWs und größere Vehikel mit geringer Reichweite sind Batterien besser geeignet; für Züge, Fernbusse und LKWs haben Brennstoffzellensysteme Vorteile; für Langstreckenflugzeuge sind definitiv Gasturbinen mit nachhaltigen Flüssigtreibstoffen die Wahl. Wichtig ist, dass der Anteil an fossilen Energieträgern und die daraus resultierende Treibhausgasemissionen drastisch abnehmen.

Prof. Dr. Olivier Guillon, herzlichen Dank für das Gespräch.