Fraunhofer stabilisiert Aluminiumanoden für Lithium-Ionen-Batterien

Das Fraunhofer IPA und die Universität Stuttgart haben eine neue Zell- und Elektrodentechnologie für Aluminium-Anoden entwickelt. Ziel ist es, die zuvor problematischen Volumenänderungen während des Lade- und Entladevorgangs in den Griff zu bekommen, wodurch Aluminium als Anodenmaterial für praktische Batterieanwendungen genutzt werden kann.

Das Aluminiumfolien dient sowohl als aktives Material als auch als Stromleiter.

Bild: Fraunhofer IPA/Rainer Bez

Aluminium gilt seit langem als möglicher Ersatz für Graphit oder Silizium in Lithium-Ionen-Batterien. Das Material ist relativ günstig, weit verbreitet und bietet hohe Kapazitäten. In der Praxis ist dieser Ansatz jedoch bislang gescheitert, da auf den Elektroden mechanischer Stress entsteht: Während des Lade- und Entladevorgangs unterliegt Aluminium Volumenänderungen, die zu Rissen, Poren und letztendlich zur Zerstörung des Elektrodenmaterials führen können. Das Ergebnis ist ein Kapazitätsverlust sowie eine begrenzte Lebensdauer.

Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Automatisierung IPA hat gemeinsam mit dem Institut für Photovoltaik an der Universität Stuttgart nun eine Zell- und Elektrodentechnologie entwickelt und patentiert, die diesen Alterungsprozessen entgegenwirkt. Laut den Forschern stabilisiert dieser Ansatz die Materialien während des Betriebs und gewährleistet über viele Lade- und Entladezyklen hinweg einen elektrischen Kontakt innerhalb der Elektrode.

„Wir entwickeln eine Batterietechnologie, die bereits seit langer Zeit bekannt ist, aber bisher schwer praktisch nutzbar zu kontrollieren war“, sagte Kai Peter Birke, wissenschaftlicher Leiter für Batterie- und Wasserstoffsysteme sowie -speicherung bei Fraunhofer IPA, in einer auf Deutsch veröffentlichten Pressemitteilung.

Der Ansatz beseitigt Graphit und Silizium vollständig aus der Anode. Dadurch könnte nicht nur die Nachfrage nach Graphit verringert werden, das als entscheidende Rohstoffe für die europäische Batterieindustrie gilt, sondern auch die Probleme vermieden werden, die durch erhebliche Volumenschwankungen in stark siliziumhaltigen Anoden entstehen. Ein weiterer Unterschied liegt in der Struktur des Elektrodenmaterials. Das Ausgangsmaterial ist ein kommerziell erhältliches legiertes Aluminiumfolie, das gleichzeitig als aktives Material und Stromleiter dient. Dadurch entfällt der Bedarf an Kupferfolie, die in herkömmlichen Anoden üblicherweise verwendet wird.

Aluminiumfolie dient als aktives Material und Stromleiter

Ein separates Beschichtungsverfahren, das zur Aufbringung des aktiven Materials auf den Stromkollektor verwendet wird, entfällt ebenfalls. Dadurch sollen sowohl die Prozesskosten als auch der Energieverbrauch bei der Herstellung von Elektroden gesenkt werden. Die Forscher nennen Lithium-Manganoxid (LMO) als mögliche Kathode. In Kombination mit der Aluminium-Anode könnte eine wettbewerbsfähige Energiedichte erreicht werden. Gleichzeitig wäre die Zellchemie phosphatfrei und könnte somit eine kostengünstige Alternative zu Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen darstellen.

Die Aluminium-Anode könnte außerdem mit Elektrolytlösungsmitteln mit hohem Flammpunkt kombiniert werden. Zusammen mit einer fluorfreien LMO-Kathode sei laut Fraunhofer sogar eine vollständig fluor- und somit PFAS-freie Zellstruktur möglich. Dies würde zudem das Risiko der Bildung von Wasserstofffluorid im Falle eines Akku-Brandes vermeiden.

Fraunhofer sieht die ersten Anwendungen hauptsächlich in Bereichen, in denen Sicherheit, Robustheit und kompakte Installationsräume besonders wichtig sind. Dazu gehören unter anderem Anwendungen im Luftfrachtbereich, Tracking-Systeme für Transportcontainer sowie spezialisierte Medizinische Geräte.

Für eine spätere industrielle Nutzung ist es wichtig, dass die Zellchemie in bestehenden Produktionsanlagen hergestellt werden kann. Laut dem Institut wäre daher ein vollständiger Neubau der Produktionsinfrastruktur nicht notwendig. Mehrere Prototypen wurden bereits hergestellt und werden derzeit am Zentrum für digitalisierte Batteriezellproduktion des Fraunhofer IPA getestet. Im aktuellen Kommuniqué hat das Institut noch keine Details zu konkreten Zykluzahlen sowie zur gravimetrischen oder volumetrischen Energiedichte bereitgestellt.

Gleichzeitig arbeitet Fraunhofer an weiteren Ansätzen zur Verbesserung von Batteriezellen auf Material- und Architekturebene. Im September präsentierte das Fraunhofer ISE eine Zellarchitektur mit deutlich dickeren Elektroden. Durch die Verringerung des Anteils der Stromleiter kann die Energiedichte je nach Batterietyp und Design um zehn bis 15 Prozent erhöht werden. Dieser Ansatz befindet sich noch in der Forschungsphase und muss zunächst seine industrielle Skalierbarkeit beweisen.