Fraunhofer ISE erhöht die Energiedichte von Batteriezellen

Das Fraunhofer ISE hat eine neue Architektur für Batteriezellen entwickelt, die angeblich bei derselben Masse eine um 10 bis 15 Prozent höhere Energiedichte ermöglicht. Dabei werden deutlich dickere Elektroden verwendet, was den Bedarf an Stromleitern verringert. Dies könnte auch für Elektrofahrzeuge von Interesse sein.

Halbautomatische Produktion von Batteriezellen im Fraunhofer ISE

Bild: Fraunhofer ISE

Durch die Entwicklung von Batteriezellen mit höherer Energiedichte bei gleichem Gewicht lässt sich mehr Energie im selben Raum speichern. Dies bietet Vorteile für stationäre Batteriespeichersysteme, die Gegenstand von drei Forschungsprojekten waren, die von der deutschen Bundesregierung am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg finanziert wurden. Die gewonnenen physikalischen Erkenntnisse können auch auf Antriebsbatterien für Elektrofahrzeuge angewandt werden, wo eine höhere Energiedichte die Fahrstrecke verlängern könnte.

In den Projekten am Fraunhofer ISE arbeitete das Institut mit verschiedenen Partnern zusammen, um eine neue Architektur für Batteriezellen zu entwickeln, die eine höhere Energiedichte erreicht. Die Forscher konzentrierten sich auf die Elektroden und erhöhten deren Beschichtungsdicke um mehr als das Dreifache: Anstelle der bisher üblichen 100 bis 200 Mikrometer wendeten sie Beschichtungen mit einer Dicke von bis zu 800 Mikrometer an.

Batteriezellen mit 10 bis 15 Prozent höherer Energiedichte

Laut der Forschungseinrichtung hat dies die Energiedichte der Zellen um 10 bis 15 Prozent erhöht, je nach Batterietyp und Design. Der Grund dafür ist, dass in einer Batteriezelle die Elektrodenbeschichtungen und Stromleiter in vielen dünnen Schichten abwechseln. Die Beschichtung enthält das aktive Material, das Energie speichert, während die Stromleiter den elektrischen Strom leiten. Durch Verdickung der Elektroden sind weniger dieser Schichten – und somit auch weniger Stromleiter – erforderlich. Dadurch bleibt bei derselben Zellmasse mehr Platz für aktives Material.

„Normalerweise bestehen die Anode und Kathode – die beiden Elektroden einer Batteriezelle – aus vielen dünnen, abwechselnden Schichten aus Elektrodenbeschichtung und Stromleitern“, erklärt Dr. Oliver Fitz, Leiter der Gruppe für Batteriezelltechnologie am Fraunhofer ISE. „Es ist uns gelungen, die Dicke der Elektrodenbeschichtung von dem bisher üblichen 100 auf 200 Mikrometer zu erhöhen und sogar auf bis zu 800 Mikrometer, wodurch die Anzahl der benötigten Stromleiter erheblich reduziert wird. Dadurch haben wir viel mehr Platz für aktives Material, was die Energiedichte je nach Batterietyp und Design um 10 bis 15 Prozent erhöht.“

Fokus auf Anwendungen in Batteriespeichersystemen

Doch das Konzept ist noch nicht für die Serienproduktion bereit. Laut Fraunhofer ISE zeigen die Projektergebnisse vielmehr einen „versprechenden Ansatz für die zukünftige Industrialisierung dieser innovativen Elektroden- und Zellarchitektur“. Die neuen Batteriezellen sind insbesondere für den Einsatz in Batteriespeichersystemen (BESS) sowie in Elektrofahrzeugen interessant.

Das Forschungsteam entwickelte das neue Elektroden- und Zelldesign im Rahmen der Projekte „VORAN – Innovative Natrium-Ionen-Batteriespeicherung für stationäre und mobile Anwendungen“ (bis Juni 2027 laufend), „INFAB – Zink-Ionen-Batterien für stationäre Energiespeicherung – Herstellung und Montage“ (abgeschlossen) sowie „WinZIB2 – Weltweit einsetzbares, innovatives Zink-Ionen-Batteriesystem“, die alle von der deutschen Bundesregierung finanziert wurden.