Gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie hat das Fraunhofer ISE den Aufbau von Elektroden in Batterien so verändert, dass die Zellen 10 bis 15 Prozent mehr Energie bei gleichem Gewicht speichern können. Dies gelang, indem die Beschichtungsdicke der Batterieelektroden um mehr als das Dreifache erhöht wurde, wodurch sich gleichzeitig die Anzahl der Stromableiter in der Batteriezelle reduzierte. Die neue Elektrodenarchitektur setzte das Forschungsteam 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 die Kathode aus sehr vielen dünnen Schichten Elektrodenbeschichtung und Stromableitern im Wechsel.
„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“, erläutert Dr. Oliver Fitz, Gruppenleiter für Batteriezelltechnologie am Fraunhofer ISE.
Das Forschungsteam am Fraunhofer ISE validierte die neue Elektrodenarchitektur 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 Trockenraum des Fraunhofer ISE Battery Materials and Cell Production Lab. „Das Zellkonzept ist auch auf weitere Zellchemien leicht übertragbar“, ergänzt Fitz.
Die Batterieelektroden sind PFAS-frei und werden ohne den Einsatz giftiger Lösungsmittel gefertigt. Bei der Entwicklung der neuen Zellarchitektur wurde eine spätere Serienproduktion berücksichtigt: Eine potenzielle Elektrodenfertigungslinie weist im Vergleich zu einer Nassbeschichtungsanlage nach aktuellem Stand der Technik eine deutlich geringere Prozesskomplexität auf. Dadurch fallen die Investitionskosten deutlich geringer aus. Auch die Betriebskosten werden aufgrund des reduzierten Flächen- und Energiebedarfs gesenkt. Somit bietet die Technologie insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen die Möglichkeit, eine eigene Batteriezellfertigung in Deutschland aufzubauen. (jr)
