Gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE den Aufbau von Elektroden in Batterien optimiert. Dadurch können die Batteriezellen 10 bis 15 Prozent mehr Energie bei gleichem Gewicht speichern. Das gelang der Forscher:innen, 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 in industrienah gefertigten Lithium-Ionen-Pouch-Zellen um. Zudem übertrugen sie das Konzept 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“, so Fitz.

Elektrodenfertigungslinie für Batteriezellen mit erhöhter Energiedichte mitgedacht

Die Batteriezellen sind PFAS-frei und kommen in der Fertigung ohne giftige Lösungsmittel aus. Bei der Entwicklung der neuen Zellarchitektur haben die Forscher:innen eine spätere Serienproduktion mitgedacht: Ihre neue Elektrodenfertigungslinie weist eine deutlich geringe Prozesskomplexität im Vergleich zu einer Nassbeschichtungsanlage nach aktuellem Stand der Technik auf. Dadurch fallen die Investitionskosten deutlich geringer aus. Auch die Betriebskosten kann man aufgrund des reduzierten Flächen- und Energiebedarfs senken. Damit soll die Technologie insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen die Möglichkeiteröffnen, eine eigene Batteriezellfertigung in Deutschland aufzubauen.

Die Projektergebnisse zeigen 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. „Als klassischer Automobilzulieferer gestartet, diversifizieren wir schon lange in Zukunftsmärkte, -produkte und –branchen“, sagt Markus Duffner, CEO bei Hechinger. „Beispielsweise machen wir bereits über 30 Prozent unseres Umsatzes im Bereich der E-Mobilität. Zeigen die weiteren Skalierungsschritte und Validierungen eine kosten- wie performancetechnisch vielversprechende Perspektive, könnten wir die Industrialisierung prüfen. Für eine Batteriefertigung mit dem Fokus stationäre Speicher sehen wir in Baden-Württemberg großes Potenzial.“ Andreas Bett, Institutsleiter am Fraunhofer ISE ergänzt. „Deutschland täte gut daran, Fertigungskapazitäten für den wachsenden Batterie-Bedarf und damit Wertschöpfung im Land aufzubauen.“

Förderung von BMWE und BMBF

Den neuen Elektroden- beziehungsweise Zellaufbau entwickelte das Forschungsteam in den Projekten „VORAN – Innovative Natrium-Ionen-Batteriespeicher für stationäre und mobile Anwendungen“ (läuft noch 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, Helmut Hechinger, 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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