Forschende des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben zusammen mit Industriepartnern den inneren Aufbau von Batterie-Elektroden verändert. Stark vereinfacht gesagt: Viel Aktivmaterial hilft. Das Ergebnis: Batteriezellen speichern dadurch 10 bis 15 Prozent mehr Energie, ohne schwerer zu werden. Der Ansatz funktioniert nicht nur bei Lithium-Ionen-Akkus, sondern lässt sich auch auf Zink-Ionen- und Natrium-Ionen-Batterien übertragen.
Was wurde verändert?
In einer Batteriezelle bestehen die beiden Elektroden, Anode und Kathode, aus mehreren dünnen Schichten. Dabei wechseln sich sogenannte Stromableiter, dünne Metallfolien, die den Strom aus der Zelle herausleiten und die eigentliche Elektrodenbeschichtung ab. Üblich sind Beschichtungsdicken von 100 bis 200 Mikrometern, das ist etwa so dick wie ein bis zwei Blatt Papier.
Das Forschungsteam hat diese Schichten des Aktivmaterials deutlich dicker gemacht, auf bis zu 800 Mikrometer, mehr als das Dreifache des bisherigen Werts. Dadurch braucht die Zelle insgesamt weniger Stromableiterschichten. Somit bleibt das Gewicht weitestgehend unverändert. erklärt den Effekt so:
„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„, sagt Dr. Oliver Fitz, Gruppenleiter für Batteriezelltechnologie am Fraunhofer ISE. Vereinfacht gesagt: Weniger Metallfolie, die keine Energie speichert, bedeutet mehr Platz für das Material, das tatsächlich Energie speichert. Bei gleichem Gewicht und gleicher Größe passt so mehr Kapazität in die Zelle.
Erprobt an echten Zellen, nicht nur im Labor
Das Forscher-Team hat die Elektroden-Architektur zunächst im Kleinformat an Laborzellen getestet, und zwar für drei unterschiedliche Batterietypen: Zink-Ionen-, Natrium-Ionen- und Lithium-Ionen-Zellen. Für die Lithium-Ionen-Variante ging der Versuch einen Schritt weiter: Das Institut fertigte damit Prototypen von sogenannten Pouch-Zellen, das sind flache, in Folie verpackte Batteriezellen, wie sie etwa in Elektroautos oder Elektronikgeräten verbaut werden. Die Fertigung erfolgte auf einer halbautomatischen Produktionslinie im Trockenraum des Fraunhofer ISE, unter Bedingungen, die einer echten Industriefertigung schon deutlich näherkommen als ein reiner Laborversuch.
Einfachere und günstigere Herstellung
Neben der reinen Energiedichte bringt der neue Aufbau einen weiteren Vorteil: Die Elektroden kommen ohne die sogenannten PFAS-Chemikalien aus, eine Gruppe schwer abbaubarer Stoffe, die in vielen herkömmlichen Batterien noch verwendet wird, und die Fertigung benötigt keine giftigen Lösungsmittel.
Auch der Produktionsprozess selbst wird einfacher. Eine mögliche Fertigungslinie für die neuen, dickeren Elektroden ist weniger komplex aufgebaut als die heute übliche Nassbeschichtungsanlage. Das senkt sowohl die nötigen Investitionskosten für eine neue Fabrik als auch die laufenden Betriebskosten, weil weniger Fläche und weniger Energie benötigt werden.
Welche Chancen ergeben sich?
Genau dieser Kostenvorteil könnte in Deutschland eine Tür öffnen. Bislang scheitert der Aufbau einer eigenen Batteriezellfertigung hierzulande oft an den hohen Investitionskosten etablierter Fertigungsverfahren, die vor allem für sehr große Werke wirtschaftlich sind. Ein einfacherer, günstigerer Prozess könnte auch kleineren und mittelständischen Unternehmen den Einstieg in die eigene Zellproduktion ermöglichen.
„In einem klimaneutralen Energiesystem mit den fluktuierenden Energiequellen Solar und Wind sind stationäre Batteriespeicher integraler Bestandteil, um die morgen- und abendlichen Stromspitzen abzudecken. 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“, sagt Institutsleiter Prof. Dr. Andreas Bett.
Am Forschungsprojekt sind auch Industriepartner beteiligt, die praxisnah einschätzen, wie realistisch eine spätere Serienfertigung ist. Der Maschinenbauer acp systems AG entwickelt die Anlagen zur Herstellung der neuen Elektroden, die Helmut Hechinger GmbH & Co. KG bringt ihre Fertigungserfahrung ein. Finanziert wurde die Forschung über die Projekte VORAN, InFAB und WinZIB2, unter anderem durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und das Bundesministerium für Bildung und Forschung.
Fazit
Die 10 bis 15 Prozent mehr Energiedichte klingen zunächst nach einem überschaubaren Fortschritt, in Kombination mit der einfacheren und günstigeren Fertigung ergibt sich daraus aber ein größeres Bild: Batteriezellen, die nicht nur leistungsfähiger, sondern auch mit geringerem Investitionsaufwand herstellbar sind, könnten den Aufbau einer eigenständigen Zellproduktion in Deutschland erleichtern, von stationären Speichern für die Energiewende bis hin zu Anwendungen in der Elektromobilität.
Bislang handelt es sich allerdings um Prototypen aus dem Labor beziehungsweise einer halbautomatischen Fertigungslinie. Ob und wie schnell daraus eine echte industrielle Serienfertigung wird, hängt von weiteren Skalierungsschritten ab.
