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Dickere Elektroden erhöhen die Energiedichte von Batterien
Mehr aktives Material statt Metallfolie: Forscher am Fraunhofer ISE haben Batterieelektroden auf bis zu 800 Mikrometer verdickt. Dadurch benötigen die Zellen weniger Stromableiter und speichern laut den Projektversuchen je nach Bauart 10 bis 15 Prozent mehr Energie bei gleichem Gewicht. Erprobt wurde das Konzept mit Lithium-, Natrium- und Zink-Ionen-Zellen.
Freiburg (Deutschland). Mehr Energie in einer Batteriezelle unterzubringen, hängt nicht nur von der Zellchemie ab. Auch Bauteile, die selbst keine Energie speichern, beanspruchen Gewicht und Raum. Dazu gehören die metallischen Stromableiter, auf denen die aktiven Elektrodenmaterialien sitzen.
Je größer der Anteil des aktiven Materials, desto höher kann die Energiedichte ausfallen. Doch dicke Elektroden erschweren normalerweise den Transport der Ionen durch die Schicht. Deshalb gilt es, mehr Speichermaterial unterzubringen, ohne Leistung, Ladegeschwindigkeit oder Lebensdauer zu stark zu beeinträchtigen.
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE (Fraunhofer ISE) um Dr.-Ing. Oliver Fitz haben nun eine Zellarchitektur erprobt, die genau an diesem Verhältnis ansetzt. Die Ergebnisse stammen aus den Forschungsprojekten VORAN, INFAB und WinZIB2 und wurden für Lithium-, Natrium- und Zink-Ionen-Zellen getestet.
Bei herkömmlichen Batteriezellen wechseln sich viele vergleichsweise dünne Elektrodenbeschichtungen mit Stromableitern ab. Das Team erhöhte die Dicke der Beschichtung von üblichen 100 bis 200 Mikrometern auf bis zu 800 Mikrometer. Dadurch sind weniger Stromableiter nötig und ein größerer Anteil des Zellgewichts kann auf das aktive Material entfallen.
Nach Angaben des Instituts erhöht dieser Aufbau die Energiedichte je nach Batterietyp und Auslegung um 10 bis 15 Prozent. Zunächst prüften die Forscher die Architektur an kleinen Laborzellen der drei Zellchemien. Für Lithium-Ionen-Batterien fertigten sie zusätzlich Pouch-Zellen auf einer semi-automatisierten, industrienahen Fertigungslinie.
„Das Zellkonzept ist auch auf weitere Zellchemien leicht übertragbar“, ergänzt Oliver Fitz.
Die neuen Elektroden werden nach Angaben des Fraunhofer ISE PFAS-frei und ohne giftige Lösungsmittel hergestellt. Das Institut erwartet außerdem eine geringere Prozesskomplexität als bei heutigen Nassbeschichtungsanlagen. Dadurch könnten Investitionskosten sowie Flächen- und Energiebedarf einer späteren Fertigung sinken.
Konkrete Vergleichswerte für die Produktionskosten nennt die Mitteilung allerdings nicht. Auch die Industrialisierung ist noch nicht erreicht. Weitere Skalierungsschritte und Validierungen sollen zeigen, ob der Aufbau seine Vorteile unter seriennahen Bedingungen bei Kosten und Leistung behält.
Dicke Elektroden bringen einen bekannten Zielkonflikt mit sich. Eine 2024 veröffentlichte Modellierungsstudie zu Lithium-Ionen-Batterien zeigt, dass längere Transportwege in sehr dicken Elektroden die Nutzung des aktiven Materials bei hohen Lade- und Entladeraten begrenzen können. Dabei können sich Konzentrationsunterschiede im Elektrolyten und in den Elektrodenpartikeln verstärken.