Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie eine neue Elektrodenarchitektur für Batteriezellen entwickelt. Nach Angaben des Instituts können die Zellen dadurch bei gleichem Gewicht 10 bis 15 Prozent mehr Energie speichern. Erreicht wurde das durch deutlich dickere Elektrodenbeschichtungen und eine geringere Anzahl an Stromableitern innerhalb der Zelle.

Halbautomatische Fertigungslinie für industrienahe Pouch-Zellen im Trockenraum des Fraunhofer ISE im Zentrum für Elektrische Energiespeicher. (Bild: Fraunhofer ISE)

Der Ansatz wurde zunächst an kleinen Laborzellen validiert und anschließend für Lithium-Ionen-Batterien in industrienah gefertigten Pouch-Zellen umgesetzt. Darüber hinaus übertrug das Forschungsteam das Konzept auf Zink-Ionen- und Natrium-Ionen-Batteriezellen. Damit adressiert die Entwicklung nicht nur etablierte Lithium-Ionen-Technologien, sondern auch Zellchemien, die insbesondere für stationäre Speicher künftig relevant werden könnten.

Mehr aktives Material in der Zelle

In konventionellen Batteriezellen bestehen Anode und Kathode aus vielen dünnen Schichten von Elektrodenbeschichtung und Stromableitern. Das Fraunhofer ISE hat die Dicke der Elektrodenbeschichtung laut eigenen Angaben von üblichen 100 bis 200 Mikrometern auf bis zu 800 Mikrometer erhöht. Dadurch sinkt die Zahl der benötigten Stromableiter.

Der technische Effekt liegt in der Raumnutzung der Zelle: Weniger passive Komponenten schaffen mehr Platz für aktives Speichermaterial. Daraus ergibt sich laut Fraunhofer ISE die höhere Energiedichte von 10 bis 15 Prozent, abhängig von Batterietyp und konkreter Zellauslegung.

Für Lithium-Ionen-Zellen fertigte das Institut Prototypen auf einer semi-automatisierten Fertigungslinie im Trockenraum des Battery Materials and Cell Production Lab. Der industrienahe Aufbau ist für die weitere Bewertung der Technologie wesentlich, weil sich Laborergebnisse nicht ohne Weiteres auf größere Zellformate oder Fertigungsprozesse übertragen lassen.

PFAS-frei und ohne giftige Lösungsmittel

Ein weiterer Aspekt der Entwicklung betrifft die Produktion. Die beschriebenen Batteriezellen sind nach Angaben des Fraunhofer ISE PFAS-frei und kommen in der Fertigung ohne giftige Lösungsmittel aus. Zudem wurde die spätere Skalierung in Richtung Serienproduktion bereits in der Entwicklungsphase mitgedacht.

Das Institut verweist auf eine potenzielle Elektrodenfertigungslinie mit geringerer Prozesskomplexität gegenüber heutigen Nassbeschichtungsanlagen. Daraus könnten niedrigere Investitionskosten sowie geringere Betriebskosten durch weniger Flächen- und Energiebedarf resultieren. Diese Aussagen betreffen allerdings eine perspektivische Industrialisierung und müssen in weiteren Skalierungsschritten validiert werden.

Relevanz für stationäre Batteriespeicher

Für die Energiebranche ist der Ansatz vor allem im Zusammenhang mit stationären Batteriespeichern interessant. Mit dem Ausbau von Photovoltaik und Windkraft steigt der Bedarf an Speichern, die Erzeugungs- und Verbrauchsspitzen ausgleichen können. Neben Leistungsfähigkeit und Lebensdauer rücken dabei auch Fertigungskosten, Materialeinsatz und industrielle Skalierbarkeit stärker in den Fokus.

Das Fraunhofer ISE sieht die Technologie als möglichen Beitrag zum Aufbau zusätzlicher Batteriefertigungskapazitäten in Deutschland. Besonders für kleine und mittlere Unternehmen könnte eine weniger komplexe Fertigungslinie nach Einschätzung des Instituts eine Einstiegsmöglichkeit in die Batteriezellproduktion eröffnen.

Querschnitt einer Batteriezelle mit klassischer Zell-Architektur (links) und neuem Aufbau (rechts). Das Forschungsteam erhöhte die Dicke des Aktivmaterials auf bis zu 800 Mikrometer und damit auch die Energiedichte um bis zu 15 Prozent. (Bild: Fraunhofer ISE)

Industriepartner prüfen weitere Skalierung

Am Forschungskonsortium beteiligt sind unter anderem die Helmut Hechinger GmbH & Co. KG und die Acp Systems AG. Hechinger bringt Fertigungserfahrung ein, Acp Systems entwickelt Anlagen zur Herstellung der Elektroden. Hechinger-CEO Markus Duffner nennt stationäre Speicher als möglichen Schwerpunkt einer künftigen Batteriefertigung in Baden-Württemberg, stellt eine Industrialisierung aber unter den Vorbehalt weiterer Skalierungs- und Validierungsschritte.

Die Entwicklung entstand in mehreren Forschungsprojekten. Dazu zählen Voran – Innovative Natrium-Ionen-Batteriespeicher für stationäre und mobile Anwendungen, Infab – Zink-Ionen-Batterien für die stationäre Energiespeicherung – Fertigung und Assemblierung sowie WinZIB2 – Weltweit einsetzbares, innovatives Zink-Ionen-Batteriesystem. Beteiligt waren neben Fraunhofer ISE auch Acp Systems AG, Helmut Hechinger GmbH & Co. KG, die Universität Stuttgart – Institut für Photovoltaik sowie das Karlsruher Institut für Technologie beziehungsweise das Helmholtz-Institut Ulm.

Gefördert wurden die Arbeiten laut Fraunhofer ISE durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, das Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie das Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg.

Weitere Informationen finden Sie unter www.ise.fraunhofer.de.

Quelle: Fraunhofer ISE