Fraunhofer ISE optimiert Batteriezellen

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) hat den Elektrodenaufbau in Batterien so verändert, dass die Zellen bei gleichem Gewicht 10 bis 15 Prozent mehr Energie speichern können. Die Projektergebnisse zeigen einen vielversprechenden Ansatz für eine industrielle Fertigung der neuen Zellarchitektur.

In der Regel bestehen die beiden Elektroden einer Batteriezelle aus sehr vielen dünnen Schichten Elektrodenbeschichtung und Stromableitern im Wechsel. Die Forscher des Fraunhofer ISE und ihre Partner haben es nun geschafft, die Dicke der Elektrodenbeschichtung von den bisher üblichen 100 bis 200 Mikrometern auf bis zu 800 Mikrometer zu erhöhen. Dadurch gelang es ihnen, die Anzahl der benötigten Stromableiter deutlich zu reduzieren. „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“, erklärt Dr. Oliver Fitz, Gruppenleiter für Batteriezelltechnologie am Fraunhofer ISE.

Investitions- und Betriebskosten einsparen

Das Forschungsteam hat die neue Elektroden-Architektur bereits in industrienah gefertigten Lithium-Ionen Pouch-Zellen umgesetzt und das Konzept auf Zink-Ionen- und Natrium-Ionen-Batteriezellen übertragen. Die Projektergebnisse zeigen nach Ansicht der Forscher einen vielversprechenden Ansatz für eine perspektivische Industrialisierung der neuartigen Elektroden- und Zellarchitektur. Die spätere Serienproduktion wurde bei der Entwicklung direkt mitgedacht: Eine Nassbeschichtungsanlage aufzubauen sei viel komplexer als die Elektrodenfertigungslinie, so die Forscher. Die Investitionskosten ließen sich dadurch deutlich senken. Wegen des reduzierten Flächen- und Energiebedarfs senke das neue Konzept außerdem die Betriebskosten und eröffne insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen die Möglichkeit, eine eigene Batteriezellfertigung in Deutschland aufzubauen.

Partner aus der Industrie

Der Maschinenbauer acp systems AG entwickelt die Anlagen zur Herstellung der Elektroden. Die Helmut Hechinger GmbH & Co. KG bringt ihre Fertigungserfahrungen in das Konsortium mit ein. „Als klassischer Automobilzulieferer gestartet, diversifizieren wir schon lange in Zukunftsmärkte, -produkte und -branchen“, erklärt Markus Duffner, CEO bei Hechinger. Das Unternehmen erzielt mehr als 30 Prozent seines Umsatzes mit 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“, sagt Duffner.