Fraunhofer ISE optimiert Batteriezellen – mehr Energie bei gleichem Gewicht

Gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE einen veränderten Aufbau der Elektroden von Batterien entwickelt. Die Beschichtungsdicke der Batterieelektroden wurde hierbei um mehr als das Dreifache erhöht, wodurch sich gleichzeitig die Anzahl der benötigten Stromableiter in der Batteriezelle verringert.

Das Forschungsteam setzte die neue Elektroden-Architektur in industrienah gefertigten Lithium-Ionen Pouch-Zellen um. Den Angaben zufolge wurde das Konzept aber experimentell im Labor auch bei kleinen Zink-Ionen- und Natrium-Ionen-Batteriezellen erfolgreich umgesetzt. »Das Zellkonzept ist auch auf weitere Zellchemien leicht übertragbar«, sagt Oliver Fitz, Gruppenleiter für Batteriezelltechnologie am Fraunhofer ISE.

Möglichkeiten für mittelständische Unternehmen

Eine erhöhte Beschichtungsdichte lässt größeren Materialbedarf und somit höhere Fertigungskosten vermuten – tatsächlich aber weise eine mögliche Elektrodenfertigungslinie mit dem neuen Konzept „eine deutlich geringe Prozesskomplexität im Vergleich zu einer Nassbeschichtungsanlage nach aktuellem Stand der Technik auf.“ Somit seien die Investitionskosten deutlich geringer, und auch die Kosten des laufenden Betriebs einer solchen Fertigung seien wegen eines geringeren Flächen- und Energiebedarfs niedriger. Die Technologie eröffne somit „insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen die Möglichkeit, eine eigene Batteriezellfertigung in Deutschland aufzubauen“, heißt es vom Fraunhofer ISE.

»Normalerweise bestehen die Anode und Kathode – die beiden Elektroden einer Batteriezelle – aus sehr vielen dünnen Schichten Elektrodenbeschichtung und Stromableitern im Wechsel«, erläutert Oliver Fitz. Durch das Anheben der der Dicke der Elektrodenbeschichtung von bislang üblichen 100 bis 200 Mikrometern auf bis zu 800 Mikrometer werde die Anzahl der benötigten Stromableiter deutlich reduziert, sodass sehr viel mehr Platz für aktives Material bleibe.

Großes Potenzial für stationäre Speicher

Das Forschungsteam sieht somit einen vielversprechenden Ansatz für eine Industrialisierung der neuartigen Elektroden- und Zellarchitektur. Der Maschinenbauer ACP Systems entwickelte als einer der Projektpartner die Anlagen zur Herstellung der Elektroden. Die Helmut Hechinger GmbH & Co. KG habe als Industriepartner ihre Erfahrungen in der Fertigung eingebracht. Markus Duffner, CEO bei Hechinger sieht hierbei großes Potenzial für eine Batteriefertigung mit dem Fokus stationäre Speicher in Baden-Württemberg, sofern die weiteren Skalierungsschritte und Validierungen in Bezug auf Kosten und Performancetechnisch eine vielversprechende Perspektive aufzeigen. „Deutschland täte gut daran, Fertigungskapazitäten für den wachsenden Batterie-Bedarf und damit Wertschöpfung im Land aufzubauen“, ergänzt Andreas Bett, Institutsleiter am Fraunhofer ISE.

Die Entwicklung des neuen Elektroden- beziehungsweise Zellaufbaus ist das Resultat mehrerer Forschungsprojekte, die vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie sowie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wurden.