Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat zusammen mit Partnern den Aufbau von Elektroden in Batterien so verändert, dass die Batteriezellen 10 bis 15 Prozent mehr Energie bei gleichem Gewicht speichern können. Das gelang ihnen, indem sie die Beschichtungsdicke der Batterieelektroden – beispielsweise von Lithium-Ionen-Batterien – um mehr als das Dreifache erhöhten, wodurch sich gleichzeitig die Anzahl der Stromableiter in der Batteriezelle reduziert. Die neue Elektroden-Architektur setzte das Forschungsteam in industrienah gefertigten Lithium-Ionen Pouch-Zellen um. Des Weiteren übertrugen sie das Konzept erfolgreich auf Zink-Ionen- und Natrium-Ionen-Batteriezellen.
»Normalerweise bestehen die Anode und Kathode – die beiden Elektroden einer Batteriezelle – aus sehr vielen dünnen Schichten Elektrodenbeschichtung und Stromableitern im Wechsel«, erläutert Oliver Fitz, Gruppenleiter für Batteriezelltechnologie am Fraunhofer ISE. »Wir haben es geschafft, die Dicke der Elektrodenbeschichtung von den bisher üblichen 100 bis 200 Mikrometern auf bis zu 800 Mikrometer 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 fertigten sie zusätzlich Prototypen von Pouch-Batteriezellen mit dem neuentwickelten Elektrodenaufbau auf einer semi-automatisierten Fertigungslinie im Trockenraum des Fraunhofer ISE Battery Materials and Cell Production Lab. »Das Zellkonzept ist auch auf weitere Zellchemien leicht übertragbar«, ergänzt Oliver Fitz.
Bei der Entwicklung der neuen Zellarchitektur wurde eine spätere Serienproduktion mitgedacht: Eine potenzielle Elektrodenfertigungslinie weise eine deutlich geringe Prozesskomplexität im Vergleich zu einer Nassbeschichtungsanlage nach aktuellem Stand der Technik auf, so das Fraunhofer ISE. Dadurch fielen die Investitionskosten deutlich geringer aus. Auch die Betriebskosten würden aufgrund des reduzierten Flächen- und Energiebedarfs gesenkt. Damit eröffne die Technologie insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen die Möglichkeit, eine eigene Batteriezellfertigung in Deutschland aufzubauen.
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