Forschende am Fraunhofer ISE haben Elektroden mit bis zu 800 Mikrometern Beschichtungsdicke entwickelt. Das könnte erhebliche Kostenvorteile bringen.

 

Forschende am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE (Fraunhofer ISE) haben mit Forschungs- und Industriepartnern eine Elektrodenarchitektur entwickelt, die bei gleichem Zellgewicht zehn bis 15 Prozent mehr Energie speichern soll. Erreicht wird dies durch dickere Elektrodenbeschichtungen und eine geringere Zahl von Stromableitern. Das Institut hat das Konzept für Lithium-Ionen-, Natrium-Ionen- und Zink-Ionen-Batterien getestet, wie aus einer aktuellen Meldung des Instituts hervorgeht.

Bei herkömmlichen Batteriezellen bestehen Anode und Kathode aus mehreren dünnen Schichten aus Elektrodenbeschichtung und Stromableitern. Das Forschungsteam erhöhte die Dicke der Elektrodenbeschichtung von bislang üblichen 100 bis 200 Mikrometern auf bis zu 800 Mikrometer. 

Dies hat zwei Effekte: Zum einen werden weniger Stromableiter benötigt. Zum anderen kann der frei werdende Platz für zusätzliches aktives Material genutzt werden. Nach Angaben des Fraunhofer ISE erhöht sich dadurch die Energiedichte abhängig von Batterietyp und Auslegung um zehn bis 15 Prozent. 

Konzept für drei Zellchemien getestet 

Die Forschenden erprobten die Elektrodenarchitektur zunächst mit kleinen Laborzellen auf Basis von Lithium-Ionen-, Natrium-Ionen- und Zink-Ionen-Technologie. Für Lithium-Ionen-Zellen fertigte das Institut zusätzlich Pouch-Zell-Prototypen auf einer halbautomatisierten Fertigungslinie im Battery Materials and Cell Production Lab des Fraunhofer ISE. Bei Pouch-Zellen werden die aktiven Schichten von einer flexiblen, meist auf Aluminiumbasis gefertigten Außenfolie eingeschlossen.

Die Elektroden sind frei von per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS). Zudem kommt die Fertigung laut Fraunhofer ISE ohne giftige Lösungsmittel aus. 
Nach Angaben des Instituts lässt sich die Architektur auch auf weitere Zellchemien übertragen. 

Vereinfachte Elektrodenfertigung 

Neben der Energiedichte zielt die Entwicklung auf eine einfachere Produktion. Eine mögliche Fertigungslinie für die Elektroden soll nach Angaben des Instituts weniger komplex sein als heutige Nassbeschichtungsanlagen. Der geringere Flächen- und Energiebedarf soll zudem die Betriebskosten reduzieren. 

Industriepartner des Forschungskonsortiums ist die Helmut Hechinger GmbH & Co. KG. Der Maschinenbauer ACP Systems AG entwickelt Anlagen für die Herstellung der Elektroden. 

Hechinger sieht eine mögliche Anwendung insbesondere bei stationären Batteriespeichern. „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“, sagt Hechinger-Chef Markus Duffner. 

Auch Prof. Dr. Andreas Bett, Institutsleiter am Fraunhofer ISE, sieht großes Potenzial in der Entwicklung: „In einem klimaneutralen Energiesystem mit den fluktuierenden Energiequellen Solar und Wind sind stationäre Batteriespeicher integraler Bestandteil, um die morgen- und abendlichen Stromspitzen abzudecken“, lässt er sich zitieren. „In Kalifornien beispielsweise liefern Batteriespeicher abends bereits weitgehend den Strom. Deutschland täte gut daran, Fertigungskapazitäten für den wachsenden Batterie-Bedarf und damit Wertschöpfung im Land aufzubauen.“

Entwicklung in drei Forschungsprojekten 

Entstanden ist die Zellarchitektur in den Forschungsprojekten „VORAN“, „INFAB“ und „WinZIB2“. VORAN untersucht Natrium-Ionen-Batteriespeicher für stationäre und mobile Anwendungen und läuft noch bis Juni 2027. INFAB und WinZIB2 befassen sich mit Zink-Ionen-Batterien und sind bereits abgeschlossen. 

Neben Fraunhofer ISE, Hechinger und ACP Systems waren die Universität Stuttgart mit ihrem Institut für Photovoltaik sowie das Karlsruher Institut für Technologie mit dem Helmholtz-Institut Ulm beteiligt. 

Das Bundeswirtschaftsministerium (BMWE) finanzierte die Projekte VORAN und INFAB. Das Bundesforschungsministerium förderte WinZIB2. An der Forschungsförderung war zudem das Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg beteiligt. (kmt)