Mehr Energie bei gleichem Gewicht: Fraunhofer ISE entwickelt neue Batteriezell-Architektur
Der entscheidende Hebel liegt in der Dicke der Elektrodenbeschichtung. Während bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien meist Beschichtungen von etwa 100 bis 200 Mikrometern eingesetzt werden, konnten die Forschenden diese auf bis zu 800 Mikrometer erhöhen.
In klassischen Batteriezellen wechseln sich dünne Schichten aus aktivem Elektrodenmaterial und Stromableitern ab. Die Stromableiter sind notwendig, nehmen allerdings Platz und Gewicht ein, ohne selbst Energie zu speichern.
„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“, erklärt Dr. Oliver Fitz, Gruppenleiter für Batteriezelltechnologie am Fraunhofer ISE.
Dadurch steht innerhalb der Zelle mehr Raum für das tatsächlich energietragende Material zur Verfügung. Je nach Zellchemie und Auslegung steigt die Energiedichte dadurch um 10 bis 15 Prozent.
Das Konzept wurde zunächst im Labor mit kleinen Zellen erprobt. Für Lithium-Ionen-Batterien gingen die Forschenden anschließend einen Schritt weiter und fertigten industrienahe Pouch-Zellen auf einer semi-automatisierten Fertigungslinie im Battery Materials and Cell Production Lab des Fraunhofer ISE.
Interessant ist, dass die Architektur nicht auf Lithium-Ionen-Batterien beschränkt ist. Das Forschungsteam konnte sie auch erfolgreich auf Natrium-Ionen- und Zink-Ionen-Batterien übertragen.
„Das Zellkonzept ist auch auf weitere Zellchemien leicht übertragbar“, sagt Fitz.
Damit könnte die Entwicklung insbesondere für stationäre Speicher interessant werden. Natrium-Ionen- und Zink-Ionen-Technologien gelten als mögliche Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere dort, wo nicht unbedingt maximale Energiedichte, sondern Kosten, Rohstoffverfügbarkeit und Sicherheit im Vordergrund stehen.
Neben der höheren Energiedichte verspricht die neue Architektur Vorteile bei der Herstellung. Die entwickelten Batteriezellen sind PFAS-frei und kommen bei der Fertigung ohne giftige Lösungsmittel aus.
Auch die Produktionsprozesse könnten sich vereinfachen. Nach Angaben des Fraunhofer ISE wäre eine entsprechende Elektrodenfertigung deutlich weniger komplex als heutige Anlagen für die klassische Nassbeschichtung. Dadurch könnten sowohl die Investitionskosten als auch der Flächen- und Energiebedarf sinken.
Ein weiterer Vorteil: Die Technologie könnte damit auch für kleinere und mittlere Unternehmen interessant werden, die eine eigene Batteriezellfertigung aufbauen wollen.
Das Potenzial sieht das Forschungskonsortium insbesondere bei stationären Batteriespeichern. Diese werden mit dem wachsenden Anteil von Wind- und Solarenergie immer wichtiger, um Erzeugung und Verbrauch zeitlich auszugleichen.
„In einem klimaneutralen Energiesystem mit den fluktuierenden Energiequellen Solar und Wind sind stationäre Batteriespeicher integraler Bestandteil, um die morgen- und abendlichen Stromspitzen abzudecken“, betont Prof. Dr. Andreas Bett, Institutsleiter am Fraunhofer ISE.
Als Beispiel verweist Bett auf Kalifornien, wo Batteriespeicher bereits einen wesentlichen Beitrag zur Stromversorgung in den Abendstunden leisten. Auch in Deutschland werde der Bedarf an Speichern weiter steigen. Für das Fraunhofer ISE geht es deshalb nicht nur um technische Innovation, sondern auch um den Aufbau entsprechender Fertigungskapazitäten und Wertschöpfung im Land.
An der Entwicklung beteiligt sind neben dem Fraunhofer ISE die acp systems AG, die Anlagen zur Elektrodenherstellung entwickelt, die Helmut Hechinger GmbH & Co. KG als Industriepartner sowie die Universität Stuttgart und das Karlsruher Institut für Technologie/Helmholtz-Institut Ulm.
Die Ergebnisse stammen aus mehreren Forschungsprojekten zu Natrium- und Zink-Ionen-Batterien. Das laufende Projekt VORAN beschäftigt sich unter anderem mit innovativen Natrium-Ionen-Batteriespeichern und läuft noch bis Juni 2027.
Noch ist die neue Zellarchitektur keine Serienlösung. Die nächsten Schritte sind weitere Validierungen und die Skalierung der Technologie. Für das Fraunhofer ISE steht jedoch bereits fest: Mehr aktive Materialien, weniger überflüssige Zellbestandteile und einfachere Produktionsprozesse könnten Batterien künftig nicht nur energiedichter, sondern auch wirtschaftlicher machen.
