Gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE den Aufbau von Elektroden in Batterien so verändert, dass die Batteriezellen 10 bis 15 Prozent mehr Energie bei gleichem Gewicht speichern können. Das gelang ihnen, indem sie die Beschichtungsdicke der Batterieelektroden – beispielsweise von Lithium-Ionen-Batterien – um mehr als das Dreifache erhöhten, wodurch sich gleichzeitig die Anzahl der Stromableiter in der Batteriezelle reduziert.
Die neue Elektroden-Architektur setzte das Forschungsteam laut einer Mitteilung in industrienah gefertigten Lithium-Ionen-Pouch-Zellen um. Des Weiteren übertrugen sie das Konzept erfolgreich auf Zink-Ionen- und Natrium-Ionen-Batteriezellen.
„Normalerweise bestehen die Anode und Kathode – die beiden Elektroden einer Batteriezelle – aus sehr vielen dünnen Schichten Elektrodenbeschichtung und Stromableitern im Wechsel“, erläutert Oliver Fitz, Gruppenleiter für Batteriezelltechnologie am Fraunhofer ISE. „Wir haben es geschafft, die Dicke der Elektrodenbeschichtung von den bisher üblichen 100 bis 200 Mikrometern auf bis zu 800 Mikrometer anzuheben und damit die Anzahl der benötigten Stromableiter deutlich zu senken. Im Resultat haben wir sehr viel mehr Platz für aktives Material und dadurch steigt die Energiedichte je nach Batterietyp und -auslegung um 10 bis 15 Prozent.“
Das Forschungsteam am Fraunhofer ISE validierte die neue Elektroden-Architektur für Zink-Ionen-, Natrium-Ionen- und Lithium-Ionen-Batterien zunächst experimentell an kleinen Batteriezellen im Labor. Für Lithium-Ionen fertigten sie zusätzlich Prototypen von Pouch-Batteriezellen mit dem neuentwickelten Elektrodenaufbau auf einer semi-automatisierten Fertigungslinie im modernen Trockenraum des Fraunhofer ISE Battery Materials and Cell Production Lab. „Das Zellkonzept ist auch auf weitere Zellchemien leicht übertragbar“, ergänzt Oliver Fitz.
Die Batterieelektroden sind PFAS-frei und kommen in der Fertigung ohne giftige Lösungsmittel aus. Bei der Entwicklung der neuen Zellarchitektur wurde eine spätere Serienproduktion mitgedacht: Eine potenzielle Elektrodenfertigungslinie weist den Forschern zufolge eine deutlich geringere Prozesskomplexität im Vergleich zu einer Nassbeschichtungsanlage nach aktuellem Stand der Technik auf. Dadurch fallen die Investitionskosten deutlich geringer aus. Auch die Betriebskosten werden aufgrund des reduzierten Flächen- und Energiebedarfs gesenkt. Damit soll die Technologie insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen die Möglichkeit eröffnen, eine eigene Batteriezellfertigung in Deutschland aufzubauen.
Die Projektergebnisse zeigen laut den Verantwortlichen einen vielversprechenden Ansatz für eine perspektivische Industrialisierung der neuartigen Elektroden- und Zellarchitektur. Die Helmut Hechinger GmbH & Co. KG begleitet das Forschungskonsortium als Industriepartner und bringt ihre Erfahrungen in der Fertigung ein. Der Maschinenbauer acp systems AG – ebenfalls Projektpartner – entwickelt die Anlagen zur Herstellung der Elektroden.
„In einem klimaneutralen Energiesystem mit den fluktuierenden Energiequellen Solar und Wind sind stationäre Batteriespeicher integraler Bestandteil, um die morgen- und abendlichen Stromspitzen abzudecken“, sagt Andreas Bett, Institutsleiter am Fraunhofer ISE. „In Kalifornien beispielsweise liefern Batteriespeicher abends bereits weitgehend den Strom. Deutschland täte gut daran, Fertigungskapazitäten für den wachsenden Batterie-Bedarf und damit Wertschöpfung im Land aufzubauen. Wenn wir dazu beitragen können, freut uns das sehr.“
Den neuen Elektroden- beziehungsweise Zellaufbau entwickelte das Forschungsteam in den Projekten „VORAN – Innovative Natrium-Ionen-Batteriespeicher für stationäre und mobile Anwendungen“ (läuft bis Juni 2027), „INFAB – Zink-Ionen-Batterien für die stationäre Energiespeicherung – Fertigung und Assemblierung“ (abgeschlossen) sowie „WinZIB2 – Weltweit einsetzbares, innovatives Zink-Ionen-Batteriesystem“ (abgeschlossen), gemeinsam mit den Kooperationspartnern acp systems AG, Helmut Hechinger GmbH & Co. KG, Universität Stuttgart – Institut für Photovoltaik (ipv) und dem Karlsruher Institut für Technologie/Helmholtz-Institut Ulm. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWE finanzierte die Forschung in den Projekten VORAN und InFAB, das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF förderte das Projekt WinZIB2.
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