Fraunhofer ISE erhöht Energiedichte von Batteriezellen

Das Fraunhofer ISE hat eine neue Architektur für Batteriezellen entwickelt, die bei gleichem Gewicht eine um 10 bis 15 Prozent höhere Energiedichte ermöglichen soll. Der Ansatz setzt auf deutlich dickere Elektroden und kommt dadurch mit weniger Stromableitern aus. Das könnte perspektivisch auch für Elektroautos interessant sein.

Halbautomatische Fertigung von Batteriezellen im Fraunhofer ISE

Bild: Fraunhofer ISE

Wenn es gelingt, Batteriezellen mit einer höheren Energiedichte bei gleichem Gewicht zu entwickeln, so kann darin mehr Energie auf gleichem Raum gespeichert werden. Das kann einerseits für stationäre Batteriespeicher von Vorteil sein, die im Mittelpunkt von drei von der Bundesregierung geförderten Forschungsprojekten des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg standen. Die physikalischen Erkenntnisse darauf können aber auch auf die Anwendung in Traktionsbatterien von Elektroautos übertragen werden. Und dort könnte eine höhere Energiedichte auch für höhere Reichweiten der Fahrzeuge sorgen.

Doch zu den Projekten des Franhofer ISE: Es hat mit verschiedenen Partnern daran gearbeitet, eine neue Architektur für Batteriezellen zu entwickeln, die eine höhere Energiedichte ermöglicht. Dabei haben die Wissenschaftler bei den Elektroden der Batteriezellen angesetzt – und dabei deren Beschichtungsdicke um mehr als das Dreifache erhöht: Statt der bislang üblichen 100 bis 200 Mikrometer setzten die Forscher auf eine Beschichtung von bis zu 800 Mikrometer.

Batteriezellen mit 10 bis 15 Prozent mehr Energiedichte

Nach Angaben der Forschungseinrichtung ist die Energiedichte der Zellen dadurch je nach Batterietyp und Auslegung um 10 bis 15 Prozent gestiegen. Der Gedanke dahinter: In einer Batteriezelle wechseln sich Elektrodenbeschichtungen und Stromableiter in vielen dünnen Schichten ab. Die Beschichtung enthält das aktive Material, das Energie speichert, während die Stromableiter den elektrischen Strom abführen. Werden die Elektroden dicker, sind weniger dieser Schichten und damit auch weniger Stromableiter nötig. So bleibt bei gleichem Zellgewicht mehr Platz für aktives Material.

„Normalerweise bestehen die Anode und Kathode – die beiden Elektroden einer Batteriezelle – aus sehr vielen dünnen Schichten Elektrodenbeschichtung und Stromableitern im Wechsel“, erläutert Dr. 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.“

Einsatz in Batteriespeichern im Fokus

Noch ist das Konzept aber nicht serienreif. Die Projektergebnisse zeigen laut Fraunhofer ISE vielmehr einen „vielversprechenden Ansatz für eine perspektivische Industrialisierung der neuartigen Elektroden- und Zellarchitektur“. Dabei sind die neuartigen Batteriezellen für den Einsatz in Batteriespeichersystemen (BESS) interessant, aber auch in Elektrofahrzeugen.

Den neuen Elektroden- beziehungsweise Zellaufbau entwickelte das Forschungsteam in den Projekten „VORAN– Innovative Natrium-Ionen-Batteriespeicher für stationäre und mobile Anwendungen“ (läuft bis Juni 2027), „INFAB– Zink-Ionen-Batterien für die stationäre Energiespeicherung – Fertigung und Assemblierung“ (abgeschlossen) sowie „WinZIB2– Weltweit einsetzbares, innovatives Zink-Ionen-Batteriesystem“, die allesamt von der Bundesregierung gefördert wurden.