Hochleistungsbatterien für die Mobilitätswende

Hochleistungsbatteriesysteme für die Elektromobilität gelten als wichtiger Baustein für die Mobilitätswende. Denn ein wesentlicher Schlüssel für den Erfolg der Elektromobilität ist die breite und bezahlbare Verfügbarkeit von Batterien mit hoher Energie- und Leistungsdichte bei gleichzeitig wirtschaftlichem Fertigungs- und Wartungsaufwand. Zudem müssen die Batterien über die gesamte Lebensdauer hinweg über eine hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit verfügen. Vor diesem Hintergrund fördert das Bundeswirtschaftsministerium über die nächsten drei Jahre zehn Partner aus Wissenschaft und Industrie für die Entwicklung von Hochleistungsbatterien auf Basis dreidimensionaler Stromableiter. Das teilte das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung (IFAM) am Freitag mit.

Bei dem aktuellen Forschungsvorhaben sollen laut Fraunhofer IFAM bekannte Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien verwendet, aber neuartige Elektrodenstrukturen designt werden. Die Entwicklungsidee basiere auf einem strukturierten Stromableiter in Form eines offenporigen Metallschaums. Durch die Beschichtung der Schaumporen mit elektrochemisch aktiven Elektrodenmaterialien könne eine dreidimensionale Elektrode unter Beibehaltung der offenporigen Struktur realisiert werden. Wegen der dadurch generierten sehr großen Kontaktfläche zwischen dem Schaum und dem Elektrodenmaterial lasse sich eine effektive Diffusion von Lithium-Ionen bei gleichzeitiger exzellenter elektronischer Leitfähigkeit der Elektrode sicherstellen.

Auf Grundlage dieser dreidimensionalen Elektrodenstrukturen, so das Fraunhofer IFAM weiter, solle zudem die Machbarkeit einer völlig neuartigen Bauweise für polymerbasierte Festkörperbatterien untersucht werden. Dazu werde innerhalb der Porenstruktur eine Multi-Lagen-Beschichtung – bestehend aus den Batterieelektroden und dem Festkörperelektrolyt – aufgebracht. Die große innere Oberfläche des Schaums ermögliche dabei die Realisierung einer wesentlich höheren Leistungsdichte im Vergleich zu Batterien, die im klassischen, zweidimensionalen Lagendesign aufgebaut sind. Zusätzlich werde hierbei erstmals der Einsatz eines Polymerelektrolyten erprobt, der durch seine besonderen Eigenschaften die Sicherheit der finalen Batteriezelle deutlich erhöht.

Das Fraunhofer IFAM weist darauf hin, dass der vorgestellte Aufbau nahezu beliebig wählbare äußere Formen ermöglicht. Dadurch seien Einpassungen von Batteriezellen in jeden gegebenen Einbauraum denkbar. Zudem seien die unterschiedlichen Zelltypen nicht nur für den Einsatz in mobilen Anwendungen mit hoher Leistungsanforderung prädestiniert, sondern auch für den Aufbau langlebiger und sicherer stationärer Speicher mit der Fähigkeit zur Pufferung von Lastspitzen.

Zu den Projektpartnern gehören neben dem Fraunhofer IFAM das Fraunhofer-Institut für angewandte Polymerforschung (IAP) und die Hochschule Osnabrück sowie die Firmen Alantum Europe, Enfas, Eurofoam Deutschland, Jahnke, Sema Gesellschaft für Innovationen, Smart Battery Solutions und Varte Microbattery.