Kohlenstoff soll Lithium-Metall-Batterien stabiler machen

Die Nachfrage nach leistungsfähigeren und leichteren Batteriesystemen wächst. Besonders für die Elektromobilität, die Luft- und Raumfahrt sowie stationäre Energiespeicher sind Batterien mit hoher Energiedichte und langer Lebensdauer gefragt. Das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST erforscht deshalb gemeinsam mit dem Fraunhofer USA Center Midwest (CMW) neue Ansätze, um die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer zukünftiger Batteriesysteme zu verbessern. Ein vielversprechender Ansatz sind Lithium-Metall-Anoden, bei denen das Lithium selbst als aktives Anodenmaterial dient und so aufgrund seiner hohen spezifischen Kapazität Batteriezellen mit potenziell höherer Energiedichte ermöglicht.

Um die Potenziale von Lithium-Metall-Anoden für langlebigere Batteriezellen zu erschließen, setzt das neue Forschungsprojekt „LIMAC – Amorphous Carbon Interlayers for Reliable Lithium-Metal Battery Cells“ auf dünne amorphe Kohlenstoff-Zwischenschichten. Im Mittelpunkt steht die Frage, ob diese die Grenzfläche zwischen Lithium-Metall-Anode und (Fest-)Elektrolyt stabilisieren und dadurch zu zuverlässigeren und langlebigeren Batteriezellen beitragen können. Dafür sollen in einem ersten Schritt dünne amorphe Kohlenstoffschichten entwickelt und mithilfe eines innovativen Laser-Arc-PVD-Verfahrens auf Kupfer-Stromableitern abgeschieden werden. Anschließend werden die beschichteten Materialien in Batteriezellen erprobt und mit Referenzzellen verglichen. So soll untersucht werden, welche Eigenschaften der Zwischenschichten für eine möglichst stabile Grenzfläche in der Batteriezelle entscheidend sind.

Vom Labormaßstab zur größeren Batteriezelle

Neben der technischen Leistungsfähigkeit betrachtet das Projekt auch die ökologische Perspektive und die spätere Übertragbarkeit auf größere Zellformate. Zum einen sollen mithilfe einer Ökobilanz, dem sogenannten Life Cycle Assessment (LCA), relevante Stoff- und Energieflüsse sowie die Umweltwirkungen des Ansatzes untersucht, zum anderen gleichzeitig ein Konzept für die Übertragung der Technologie auf größere Pouchzellen entwickelt werden. Damit verbindet das Projekt Materialentwicklung und Zellforschung mit ökologischer Bewertung und ersten Überlegungen zur späteren Skalierung. Ziel ist es, das Potenzial amorpher Kohlenstoff-Zwischenschichten für zuverlässigere Lithium-Metall-Batterien umfassend zu bewerten und eine Grundlage für die Weiterentwicklung in Richtung größerer Zellformate zu schaffen.

Langfristig könnten leistungsfähigere und langlebigere Lithium-Metall-Batterien dazu beitragen, das Gewicht von Batteriesystemen zu reduzieren und gleichzeitig hohe Energiedichten zu ermöglichen. Davon könnten Anwendungen profitieren, bei denen Gewicht, Leistungsfähigkeit und Reichweite eine wichtige Rolle spielen – von Elektrofahrzeugen über die Luft- und Raumfahrt bis hin zu stationären Energiespeichern.