Das Fraunhofer IPA hat Fortschritte bei Aluminium-Anoden für Batteriespeicher gemacht. Eine patentierte Technologie stabilisiert die Aluminium-Anode während wiederholter Lade- und Entladezyklen. Damit wird laut Forschungseinrichtung eine Technologie praktisch nutzbar, die hohe Energiedichten mit einer nachhaltigen, sicheren, kostengünstigen und robusten Zellarchitektur verbindet.

Aluminium gilt seit Langem als vielversprechendes Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien. Es ist verfügbar, kostengünstig und ermöglicht hohe Speicherkapazitäten. Der bisherige Stand der Technik zeigte jedoch eine wesentliche Herausforderung: Beim Laden und Entladen verändert Aluminium sein Volumen. Dadurch entstehen mechanische Spannungen, die zu Rissen, Porenbildung und letztlich zur Pulverisierung des Elektrodenmaterials führen. Die Folge ist eine sinkende Kapazität und eine begrenzte Lebensdauer der Zelle. Diese Materialschäden verhinderten bislang den industriellen Einsatz von Aluminium-Anoden.

Patentierte Innovationen stabilisieren Aluminium-Anode

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA hat zusammen mit dem Institut für Photovoltaik der Universität Stuttgart eine Zell- und Elektrodentechnologie entwickelt und nun patentiert, die die Alterungsprozesse verhindert. Die Innovationen stabilisieren die Materialien während des Betriebs und erhalten 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. „Unser Ansatz verbindet hohe Energiedichten mit einer einfachen, robusten und auf Sicherheit ausgelegten Zellchemie.“ Die Technologie kommt ohne Graphit oder Silizium in der Anode aus. Damit entfallen die für konventionelle Hochenergieanoden mit großem Siliziumanteil typischen Herausforderungen rund um die starken Volumenänderungen und die daraus entstehenden Materialschäden während der Lade- und Entladevorgänge. Zudem kann man auf das verbreitete Graphit in der Anode verzichten. Denn die Verfügbarkeit von Graphit gilt laut Fraunhofer IPA als großes Versorgungsrisiko der europäischen Batterieindustrie gilt.

Ausgangsmaterial der Aluminium-Anode ist eine kostengünstige, handelsüblich legierte Aluminiumfolie, die gleichzeitig die Rolle des Stromableiters und des Aktivmaterials einnimmt. So kann man vollständig auf Kupfer als Trägerfolie verzichten. Zudem entfällt der aufwendige Beschichtungsprozess, der das Aktivmaterial erst als Elektrode nutzbar macht. Dies reduziert laut den Forscher:innen neben den Prozesskosten auch den Energiebedarf in der Elektrodenfertigung erheblich.

Lithium-Manganoxid-Kathode als Alternative zur Lithium-Eisenphosphat-Kathode

Als Zellkonzept kann man diese Aluminium-Anode mit einer günstigen fluorfreien Lithium-Manganoxid-Kathode (LMO) kombinieren. Das ermöglicht laut den Forscher:innen eine konkurrenzfähige Energiedichte von LMO-basierten Batteriezellen und bietet eine phosphatfreie und kostengünstige Alternative zur weitverbreiteten Lithium-Eisenphosphat-Zelle.

Des Weiteren kann man diese Aluminium-Anode mit alternativen Elektrolytlösemitteln mit hohem Flammpunkt einsetzen, die einen sicheren Betrieb bei erhöhten Temperaturen ermöglichen. Diese Kombination aus einem alternativen fluorfreien Elektrolyten und einer fluorfreien LMO-Kathode würde einen komplett fluor- und damit auch PFAS-freien Zellaufbau erlauben. Das Risiko, dass hochgiftiger Fluorwasserstoff aus einer Lithium-Ionen-Batterie austritt, wäre damit komplett eliminiert.

Weil die Materialstabilität nun beherrschbar wird, eröffnen sich neue Einsatzmöglichkeiten für die Aluminium-Anode. Diese sichere und robuste Zellchemie erlaubt laut Fraunhofer IPA den Einsatz in der Luftfracht, beispielsweise für das Tracking von Transportbehältern oder in spezialisierten medizintechnischen Geräten. Diese Anwendungen benötigen Energiespeicher, die kompakt und  zuverlässig sind und die man sicher betreiben kann.

Produktion von Batterien mit Aluminium-Anode auf bestehenden Anlagen möglich

Ein weiterer Vorteil: Die Zellchemie ist für die Herstellung auf bestehenden Produktionsanlagen konzipiert. Damit kann man sie ohne den vollständigen Aufbau neuer Fertigungsinfrastrukturen in bestehende industrielle Prozesse integrieren. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Professor Birke haben mehrere Prototypen ihrer neu entwickelten Batterie gebaut und testen sie derzeit in den Laboren des Zentrums für Digitalisierte Batteriezellenproduktion (ZDB) am Fraunhofer IPA.

Mehr zum Thema Batterieforschung auf dem Solarserver

• Fraunhofer ISE erhöht Energiedichte von Batteriezellen
• Neues Forschungsprojekt für Lithium-Mangan-Eisenphosphat-Batteriespeicher
• Batterieforschung: NLR entwickelt Untersuchungsmethode für den „thermal runaway“
• Fraunhofer IAP: Materialien für Batterien der nächsten Generation

Quelle: Fraunhofer IPA | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH