Batterieforschung Deutschland: Fraunhofer ISE steigert Energiedichte von Batteriezellen um bis zu 15 Prozent

© Fraunhofer ISEFreiburg - Forschende des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie eine neue Elektroden-Architektur entwickelt, mit der Batteriezellen bei gleichem Gewicht 10 bis 15 Prozent mehr Energie speichern können. Das Konzept wurde für Lithium-Ionen-, Natrium-Ionen- und Zink-Ionen-Batterien experimentell validiert und bei Lithium-Ionen-Zellen bereits in industrienah gefertigte Pouch-Zellen übertragen.

Die Entwicklung adressiert zwei zentrale Anforderungen an die nächste Generation von Batteriezellen: eine höhere Energiedichte und eine kostengünstigere Produktion. Für den Batteriestandort Deutschland ist dabei insbesondere der Übergang von neuen Forschungsansätzen in skalierbare industrielle Fertigungsverfahren von Bedeutung.

Bis zu 800 Mikrometer: Dickere Elektroden erhöhen Energiedichte
Kern der neuen Zellarchitektur sind deutlich dickere Elektrodenbeschichtungen. Die bislang üblichen 100 bis 200 Mikrometer konnten auf bis zu 800 Mikrometer erhöht werden. Dadurch werden weniger Stromableiter benötigt und es steht mehr Platz für aktives Material zur Verfügung. Je nach Batterietyp und Auslegung steigt die Energiedichte dadurch um 10 bis 15 Prozent.

„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“, sagt Dr. Oliver Fitz, Gruppenleiter für Batteriezelltechnologie am Fraunhofer ISE.

Die Architektur wurde zunächst an kleinen Lithium-Ionen-, Natrium-Ionen- und Zink-Ionen-Zellen erprobt. Lithium-Ionen-Pouch-Zellen fertigte das Fraunhofer ISE zusätzlich auf einer semi-automatisierten Fertigungslinie. Nach Angaben der Forschenden lässt sich das Konzept auch auf weitere Zellchemien übertragen.

Einfachere Fertigung als nächster Schritt zur Industrialisierung
Neben der Zellleistung wurde bei der Entwicklung die spätere Produktion berücksichtigt. Die Zellen kommen ohne PFAS (per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen) aus, eine Gruppe schwer abbaubarer Industriechemikalien. Auch giftige Lösungsmittel werden bei der Fertigung nicht eingesetzt. Nach Angaben des Fraunhofer ISE weist eine mögliche Elektrodenfertigung zudem eine geringere Prozesskomplexität als heutige Nassbeschichtungsanlagen auf. Dadurch sollen Investitionskosten sowie der Flächen- und Energiebedarf der Produktion sinken.

Bis zu einer industriellen Produktion sind weitere Skalierungs- und Validierungsschritte erforderlich. Industriepartner sind die Helmut Hechinger GmbH & Co. KG und der Maschinenbauer acp systems AG. Hechinger stellt bei erfolgreichen weiteren Tests eine Prüfung der Industrialisierung in Aussicht und sieht insbesondere bei der Batteriefertigung für stationäre Speicher Potenzial.

Forschungsstärke als Basis für industrielle Batteriefertigung
Die Forschungsarbeiten zeigen die technologische Breite der Batterieentwicklung in Deutschland - von unterschiedlichen Zellchemien bis zu neuen Produktionsverfahren. Entscheidend für die industrielle Wertschöpfung ist allerdings, ob sich solche Entwicklungen aus dem Forschungsmaßstab in eine wettbewerbsfähige Serienfertigung übertragen lassen.

Fraunhofer-ISE-Institutsleiter Prof. Dr. Andreas Bett sieht darin auch eine industriepolitische Perspektive. Deutschland solle Fertigungskapazitäten für den wachsenden Batteriebedarf aufbauen und damit Wertschöpfung im Land halten. Für die neue Elektroden-Architektur ist nun entscheidend, ob sich die höhere Energiedichte und die Vorteile bei der Fertigung auch bei einer weiteren Skalierung bestätigen.

Über das gemeinsame Forschungsprojekt
Die Entwicklung der neuen Elektroden-Architektur ist in mehrere Forschungsprojekte eingebettet. Im noch bis Juni 2027 laufenden Projekt VORAN stehen Natrium-Ionen-Batterien im Mittelpunkt, die abgeschlossenen Projekte InFAB und WinZIB2 befassen sich mit Zink-Ionen-Batterien.

Beteiligt sind neben dem Fraunhofer ISE die Universität Stuttgart mit dem Institut für Photovoltaik, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit dem Helmholtz-Institut Ulm sowie die Industriepartner acp systems AG und Helmut Hechinger GmbH & Co. KG. VORAN und InFAB wurden vom Bundeswirtschaftsministerium (BMWE) gefördert, WinZIB2 vom heutigen Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR), damals Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).