Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie den Aufbau von Elektroden in Batterien so verändert, dass die Batteriezellen bei gleichem Gewicht 10 bis 15 Prozent mehr Energie speichern können. Dies gelang, indem die Beschichtungsdicke der Batterieelektroden – beispielsweise von Lithium-Ionen-Batterien – um mehr als das Dreifache erhöht wurde, wodurch sich gleichzeitig die Anzahl der Stromableiter in der Batteriezelle reduzierte. Die neue Elektroden-Architektur setzte das Forschungsteam in industrienah gefertigten Lithium-Ionen-Pouch-Zellen um. Darüber hinaus übertrugen sie das Konzept erfolgreich auf Zink-Ionen- und Natrium-Ionen-Batteriezellen.
Dickere Elektroden, weniger Stromableiter
„Normalerweise bestehen die Anode und Kathode – die beiden Elektroden einer Batteriezelle – aus sehr vielen dünnen Schichten Elektrodenbeschichtung und Stromableitern im Wechsel“, erläutert Dr. Oliver Fitz, Gruppenleiter für Batteriezelltechnologie am Fraunhofer ISE. „Wir haben es geschafft, die Dicke der Elektrodenbeschichtung von den bisher üblichen 100 bis 200 μm auf bis zu 800 μm 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-Batterien fertigten sie zusätzlich Prototypen von Pouch-Batteriezellen mit dem neu entwickelten 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“, ergänzt Oliver Fitz.
PFAS-freie Elektroden für die Serienproduktion
Die Batterieelektroden sind PFAS-frei und werden ohne den Einsatz giftiger Lösungsmittel gefertigt. Bei der Entwicklung der neuen Zellarchitektur wurde eine spätere Serienproduktion berücksichtigt: Eine potenzielle Elektrodenfertigungslinie weist im Vergleich zu einer Nassbeschichtungsanlage nach aktuellem Stand der Technik eine deutlich geringere Prozesskomplexität auf. Dadurch fallen die Investitionskosten deutlich geringer aus. Auch die Betriebskosten werden aufgrund des reduzierten Flächen- und Energiebedarfs gesenkt. Somit bietet die Technologie insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen die Möglichkeit, eine eigene Batteriezellfertigung in Deutschland aufzubauen.
Industriepartner begleiten die Industrialisierung
Die Projektergebnisse zeigen einen vielversprechenden Ansatz für die Industrialisierung der neuartigen Elektroden- und Zellarchitektur. Die Helmut Hechinger begleitet das Forschungskonsortium als Industriepartner und bringt ihre Erfahrungen in der Fertigung ein. Der ebenfalls am Projekt beteiligte Maschinenbauer Acp systems entwickelt die Anlagen zur Herstellung der Elektroden. „Als klassischer Automobilzulieferer gestartet, diversifizieren wir schon lange in Zukunftsmärkte, -produkte und -branchen“, erklärt 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.“
„In einem klimaneutralen Energiesystem mit den fluktuierenden Energiequellen Solar und Wind sind stationäre Batteriespeicher integraler Bestandteil, um die morgen- und abendlichen Stromspitzen abzudecken“, sagt Prof. Dr. Andreas Bett, Institutsleiter am Fraunhofer ISE. „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. Wenn wir dazu beitragen können, freut uns das sehr.“
Förderung und Zusammenarbeit
„Die Technologie ist das Ergebnis langjähriger Forschungsarbeit am Fraunhofer ISE. Dass wir diesen Entwicklungsschritt erreichen konnten, verdanken wir auch der Förderung durch BMWE, BMFTR und das Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg sowie der vertrauensvollen Zusammenarbeit mit unseren Partnern“, sagt Dr.-Ing. Daniel Biro, Abteilungsleiter Elektrische Energiespeicher am Fraunhofer ISE.
Den neuen Elektroden- beziehungsweise Zellaufbau entwickelte das Forschungsteam in den Projekten „VORAN – Innovative Natrium-Ionen-Batteriespeicher für stationäre und mobile Anwendungen“ (läuft 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, der 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.
