Das Fraunhofer Institut für Solasre Energiesysteme (ISE) hat Lithium-Ionen-Batteriezellen mit einem hohen Anteil an Silizium entwickelt, die eine höhere Lebensdauer haben als bisherige Prototypen. Den Wissenschaftlern sei es laut einer Pressemitteilung gelungen, selbst gefertigte 25-Ah-Pouchzellen mit siliziumreichen Anoden über mehr als 1000 Vollzyklen zu betreiben. Bisher sei ihre industrielle Anwendung durch die begrenzte Zyklenlebensdauer eingeschränkt. Dabei versprächen sie hohe Energiedichten für Anwendungen in der Elektromobilität, Luft- und Raumfahrt sowie in stationären Speichern. Die Vollzellen wiesen nach den Tests noch über 83 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität auf, bei einer gravimetrischen Energiedichte von 280 Wh/kg in einem nicht optimierten Forschungszellformat. Damit sei ein wichtiger Schritt hin zur Anwendung von siliziumreichen Anoden für Hochenergiebatterien gelungen.

»Die Zyklenlebensdauer ist eine der zentralen Hürden für den breiten industriellen Einsatz siliziumreicher Anoden. Mehr als 1000 Zyklen bei einem Kapazitätserhalt von mindestens 80 Prozent gelten hier als wichtiges Performanceziel«, erklärt Dr. Lukas Dold, Teamleiter Batteriematerialtechnologie und Skalierung am Fraunhofer ISE. »Mit unseren Pouchzellen konnten wir dieses Ziel erreichen und gleichzeitig eine gravimetrische Energiedichte von 280 Wh/kg auf Zellebene demonstrieren. In einem industriell optimierten Pouchzellformat ist eine gravimetrische Energiedichte von etwa 330 Wh/kg erwartbar..«

Im Projekt »StrOboBatt- Struktur- und oberflächenoptimierte Silizium-Anoden und Hochenergie-Kathoden für energiedichte Lithium-Ionen-Batterien« fertigte das Team Mehrlagen-Vollzellen (40 Lagen) mit einer Kapazität von 25 Ah. Zum Einsatz kamen dabei kommerziell verfügbare Elektrodenfolien mit einer Silizium-Kohlenstoff/Graphit-Anode und einer nickelreichen Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid-Kathode.

Silizium höhere Kapazität als Graphit

Silizium besitze im Vergleich zu dem aktuell als Anodenmaterial eingesetzten Graphit eine um den Faktor zehn höhere theoretische spezifische Kapazität. Die Wertschöpfung, vor allem in der Rohstoffgewinnung, ließe sich damit in Richtung EU verlagern. In den Testzellen betrug der Anteil des Silizium-Kohlenstoff-Komposits am Anodenaktivmaterial 51 Prozent. Die Anoden erreichten dabei eine spezifische Kapazität von mehr als 1000mAh/g und eine flächenspezifische Kapazität von mehr als 5 mAh/cm².

Am Fraunhofer ISE können neue Batteriematerialien entlang der gesamten Prozesskette von der Elektrodenherstellung bis zur elektrochemischen Charakterisierung großformatiger Pouchzellen untersucht werden. Die vorhandene Infrastruktur umfasse unter anderem das Batch-Mischen, die Rolle-zu-Rolle-Beschichtung, den Aufbau von Pouchzellen sowie deren Formierung und elektrochemische Charakterisierung.

»Da wir die gesamte Prozesskette vom Mischen der Elektrodenmaterialien bis zur elektrochemischen Charakterisierung im Haus abbilden können, lassen sich neue Materialien und Zellkonzepte unter industrienahen Bedingungen über den gesamten Fertigungsweg hinweg validieren«, so Marc Kissling.

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