Fraunhofer-Studie zur Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterie-Zellformaten

Die Fraunhofer-Institute ICT, IPA, ISI und die Fraunhofer-Einrichtung FFB haben eine Studie zur Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterie-Zellformaten veröffentlicht. Darin werden die wichtigsten Trends zu Batterie-Chemie, Zellformaten, Zellproduktion und Sicherheit betrachtet und den Anforderungen verschiedener Batterieanwendungen gegenübergestellt. Besonderes Augenmerk liegt auf den Ankündigungen der Automobilhersteller, zum Beispiel zu großformatigen Zellen.

Batteriezellen gibt es in verschiedenen Formaten, am weitesten verbreitet sind prismatische, zylindrische und sogenannte Pouch-Zellen. Alle drei Zellformate besitzen laut den Forscher noch großes Entwicklungspotenzial. Dies beginne bei der Auswahl von Materialien, dem Design des Elektroden- und Zellaufbaus, der Zellproduktion und gehe bis hin zur Zellintegration.

Für viele Anwendungen vollziehe sich zudem gerade ein Paradigmenwechsel: Statt das Anwendungsdesign auf die Batterie anzupassen, werde das Batteriedesign auf die Anwendung angepasst. Ein Beispiel sei das Konzept „Cell to Pack“, das die Integration von Batteriezellen im Fahrzeug vorsieht, ohne diese in Modulen konfektionieren zu müssen.

Kostenvorteile durch neue Materialien & Elektrodenstapel

Neue Materialien, sowohl auf der Kathoden- als auch auf der Anodenseite, werden laut den Experten auch weiterhin eine wichtige Rolle bei der Steigerung der Zellleistung oder bei der weiteren Senkung der Zellkosten spielen. Die Pläne vieler Hersteller sähen den Einsatz von Oxidmaterialien auf Nickelbasis (Ni) vor. Gleichzeitig dürften sich Materialien auf Eisen- (Fe) und Manganbasis (Mn) weiter verbreiten und „erhebliche Kostenvorteile“ ermöglichen. Auch Silizium werde als Anodenmaterial eine immer größere Rolle spielen.

Die Fortschritte im Materialdesign würden auch zu Veränderungen auf der Elektrodenebene führen. So sei in den nächsten fünf bis zehn Jahren eine Erhöhung der Elektrodenbeschichtung auf deutlich über 100 µm zu erwarten. Durch den Einsatz von Elektrodenstapeln sollen im Vergleich zum Wickeln die so erzielten Gewinne bei der Energiedichte noch stärker auf die Zellebene übertragen werden können. Insbesondere bei großformatigen Zellen werde sich dies auch auf die thermische und elektrische Ankopplung auswirken. Gerade im Automobilbereich betreffe dies zum Beispiel Pouch-Zellen bis zu 500 Millimeter und prismatische Zellen bis zu 1000 Millimeter Länge.

Dank dieser technischen Verbesserungen auf Material- und Zellebene könnten bis 2025 Spitzenenergiedichten von bis zu 850 Wh/l und bis 2030 von bis zu 950 Wh/l mit herkömmlichen Technologien auf Flüssigelektrolytbasis möglich werden, so die Forscher. Obwohl sich die Energiedichten der drei wichtigsten Zellformate weiter annähern würden, sei davon auszugehen, dass Pouch-Zellen weiterhin an der Spitze stehen werden.

Mit der Erhöhung der Energiedichte steige auch das Gefahrenpotenzial, insbesondere bei großen Zellformaten. Die Unterscheidung zwischen Pouch-Typ, prismatischem Hard-Case und zylindrischem Format spiele für die Systemsicherheit jedoch nur eine untergeordnete Rolle. Entscheidend sei die Zellchemie, die Zellstruktur (z.B. Elektrodenpackung, Gaskanäle), die Integration des Batteriepacks und bestimmte Hard- oder Software-seitige Sicherheitsmerkmale.

Auch bei der Produktion von Batteriezellen seien einige technologische Neuerungen zu erwarten. Diese beträfen die Nutzung digitaler Methoden bei der Skalierung und Prozesssteuerung, aber auch die Einführung vollkommen neuer Prozesse wie der Trockenbeschichtung oder hocheffizienter Formierungstechnologien. Diese Innovationen könnten nicht nur Kosten senken und die Fertigungsqualität steigern, sondern würden sich auch günstig auf den immer wichtigeren ökologischen Fußabdruck der Batterien auswirken.