Fraunhofer stabilisiert Aluminium-Anoden für Lithium-Ionen-Batterien
Das Fraunhofer IPA und die Universität Stuttgart haben eine neue Zell- und Elektrodentechnologie für Aluminium-Anoden entwickelt. Sie soll die bislang problematischen Volumenänderungen beim Laden und Entladen beherrschbar und damit Aluminium als Anodenmaterial für praktische Batterieanwendungen nutzbar machen.
Die Aluminiumfolie ist Aktivmaterial und Stromableiter.
Bild: Fraunhofer IPA/Rainer Bez
Aluminium gilt schon länger als möglicher Ersatz für Graphit oder Silizium in Lithium-Ionen-Batterien. Das Material ist vergleichsweise günstig, breit verfügbar und ermöglicht hohe Kapazitäten. In der Praxis scheiterte der Ansatz bislang jedoch an der mechanischen Belastung der Elektrode: Beim Laden und Entladen verändert Aluminium sein Volumen, wodurch Risse, Poren und schließlich eine Pulverisierung des Elektrodenmaterials entstehen können. Die Folge sind Kapazitätsverluste und eine begrenzte Lebensdauer.
Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA hat nun gemeinsam mit dem Institut für Photovoltaik der Universität Stuttgart eine Zell- und Elektrodentechnologie entwickelt und patentiert, die diese Alterungsprozesse adressiert. Nach Angaben der Forscher stabilisiert der Ansatz die Materialien während des Betriebs und erhält den elektrischen Kontakt innerhalb der Elektrode über viele Lade- und Entladezyklen.
„Wir machen eine seit Langem bekannte, aber bislang schwer beherrschbare Batterietechnologie praktisch nutzbar“, sagt Kai Peter Birke, wissenschaftlicher Direktor für Batterie- und Wasserstoffsysteme und -speicher am Fraunhofer IPA.
Der Ansatz verzichtet in der Anode vollständig auf Graphit und Silizium. Damit könnte nicht nur der Bedarf an Graphit reduziert werden, das für die europäische Batterieindustrie als kritischer Rohstoff gilt. Auch die bei stark siliziumhaltigen Anoden auftretenden Probleme durch ausgeprägte Volumenänderungen sollen entfallen. Ein weiterer Unterschied liegt im Aufbau der Elektrode. Als Ausgangsmaterial dient eine handelsübliche legierte Aluminiumfolie, die gleichzeitig Aktivmaterial und Stromableiter ist. Dadurch kann auf die bei konventionellen Anoden übliche Kupferfolie verzichtet werden.
Aluminiumfolie dient als Aktivmaterial und Stromableiter
Auch ein separater Beschichtungsprozess, mit dem Aktivmaterial auf den Stromableiter aufgebracht wird, entfällt. Das soll sowohl die Prozesskosten als auch den Energiebedarf bei der Elektrodenfertigung reduzieren. Als mögliche Kathode nennen die Forscher Lithium-Manganoxid, kurz LMO. In Kombination mit der Aluminium-Anode soll sich eine konkurrenzfähige Energiedichte erreichen lassen. Zugleich wäre die Zellchemie phosphatfrei und könnte damit eine kostengünstige Alternative zu Lithium-Eisenphosphat-Zellen darstellen.
Die Aluminium-Anode soll sich zudem mit Elektrolytlösemitteln mit hohem Flammpunkt kombinieren lassen. Zusammen mit einer fluorfreien LMO-Kathode wäre laut Fraunhofer sogar ein vollständig fluor- und damit PFAS-freier Zellaufbau möglich. Damit ließe sich auch das Risiko der Bildung von Fluorwasserstoff bei einem Batteriebrand vermeiden.
Fraunhofer sieht erste Anwendungen vor allem dort wo Sicherheit, Robustheit und kompakter Bauraum besonders wichtig sind. Genannt werden unter anderem Luftfrachtanwendungen, Tracking-Systeme für Transportbehälter und spezialisierte medizintechnische Geräte.
Für einen späteren industriellen Einsatz ist relevant, dass die Zellchemie auf bestehenden Produktionsanlagen hergestellt werden können soll. Ein vollständiger Neuaufbau der Fertigungsinfrastruktur wäre damit nach Angaben des Instituts nicht notwendig. Mehrere Prototypen wurden bereits aufgebaut und werden derzeit im Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion des Fraunhofer IPA getestet. Angaben zu konkreten Zyklenzahlen, gravimetrischer oder volumetrischer Energiedichte nennt das Institut in der aktuellen Mitteilung noch nicht.
Parallel arbeitet Fraunhofer an weiteren Ansätzen, um Batteriezellen auf Material- und Architekturebene zu verbessern. Erst im September hatte das Fraunhofer ISEeine Zellarchitektur mit deutlich dickeren Elektroden vorgestellt. Durch den geringeren Anteil an Stromableitern soll sich die Energiedichte dabei je nach Batterietyp und Auslegung um zehn bis 15 Prozent erhöhen. Auch dieser Ansatz befindet sich noch auf Forschungsniveau und muss seine industrielle Skalierbarkeit erst beweisen.