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Mehr Kraft für deutsche Batterien

Am Fraunhofer-Keramikinstitut IKTS in Dresden fertigt eine Pilotlinie neue Elektroden für Lithium-Batterien. Foto: Fraunhofer IKTS

Am Fraunhofer-Keramikinstitut IKTS in Dresden fertigt eine Pilotlinie neue Elektroden für Lithium-Batterien. Foto: Fraunhofer IKTS

Im Projekt „Kasili“ entwickelt Fraunhofer Dresden neue Elektroden für mehr Energiedichte

Dresden, 11. November 2019. Künftige Elektrofahrzeuge sollen mit einer Batterieladung bis zu 700 Kilometer weit fahren, Smartphones deutlich seltener aufgeladen werden. Mit diesem Ziel vor Augen wollen deutsche Wissenschaftler nun in der „Forschungsfabrik Batterie“ neuartige Batterien entwickeln, die bei gleichem Volumen mindestens 70 Prozent mehr Energie für Elektrofahrzeuge und Smartphones speichern können als herkömmliche Lithium-Ionen-Lösungen. Im Teil-Projekt „Kasili“ (Strukturmechanische Kathodenadaption für Silizium- und Lithiumwerkstoffe) steuern Experten aus Dresden Schlüsselkomponenten für diese neue Batterie-Generation bei. Die Forscher von Fraunhofer, TU Dresden und Leibniz arbeiten dafür seit dem 1. November 2019 gemeinsam an innovativen Batterie-Elektroden mit hauchdünnen Silizium- oder Lithiumschichten. Die Federführung hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) übernommen.

Prof. Christoph Leyens. Foto: Fraunhofer IWS Dresden / Martin Förster

Prof. Christoph Leyens. Foto: Fraunhofer IWS Dresden / Martin Förster

Quantensprung für die Batterietechnik

Durch die neuen Elektroden bahne sich „ein Quantensprung für die Batterietechnik an“, schätzte IWS-Chef Prof. Christoph Leyens ein. „Diese disruptive Technologie hat das Potenzial, den Standort Deutschland deutlich voranzubringen“, meint auch Chemie-Professor Stefan Kaskel von der TU Dresden, der in Personalunion das Batteriemateralien-Zentrum „Excellbattmat“ (EBZ) am Fraunhofer IWS und das Kasili-Projekt leitet. In der langen Wertschöpfungskette von der Batteriezelle bis zum fertigen Elektroauto könne die deutsche Wirtschaft so deutlich an Gewicht gewinnen. „Letztlich wollen wir eine moderne Batteriezellen-Produktion in Deutschland etablieren. Dadurch wären wir bei der Wende hin zu Elektromobilität und zu erneuerbaren Energien weniger als bisher von Zulieferungen aus Fernost oder den USA abhängig“, betont Kaskel.

Prof. Stefan Kaskel. Foto: Fraunhofer IWS

Prof. Stefan Kaskel. Foto: Fraunhofer IWS

Die Stellschrauben in einer Batteriezelle

Um dies zu erreichen, entwickeln die Dresdner neue Materialien, Designprinzipien und Verarbeitungstechnologien für die Elektroden in den kleinsten Energiespeicher-Einheiten eines Akkumulators, die heute meist als Batteriezellen bezeichnet werden. Wichtige Bauteile in solch einer Zelle sind Anode und Kathode. Zwischen diesen beiden Polen wandern die elektrischen Ladungsträger hin und her, wenn eine Batterie geladen wird oder wenn sie gerade Strom für den Elektromotor in einem E-Auto liefert. Heute besteht die Anode in einer Lithium-Ionen-Batterie meist aus einem wenige Mikrometer (Tausendstel Millimeter) dünnen Kupfer-Stromleiter, der mit einer etwa 100 Mikrometer dicken Graphitschicht bedeckt ist.

Energiedichten von über 1000 Wattstunden je Liter erreichbar

Diese Kohlenstoff-Schicht wollen die Dresdner Chemiker durch weit dünnere Ebenen aus Silizium oder Lithium ersetzen. Diese sollen dann nur noch rund zehn bis 20 bis 30 Mikrometer messen. Im Labor funktioniert das auch schon recht gut und sorgt bereits für mehr Energiespeicher-Vermögen. „Heutige Lithium-Ionen-Akkus kommen auf eine Energiedichte von etwa 240 Wattstunden pro Kilogramm beziehungsweise bis 670 Wattstunden pro Liter“, erklärt Stefan Kaskel. „Mit unseren Elektroden wollen wir auf deutlich über 1000 Wattstunden pro Liter kommen“.

Sieht aus wie Gymnastikkeulen oder Pilze, dies sind aber Mikrofedern aus Silizium für neuartige Batterieanoden unter dem Raster-Elektronenmikroskop (REM). Abb.: Fraunhofer IWS Dresden

Sieht aus wie Gymnastikkeulen oder Pilze, dies sind aber Mikrofedern aus Silizium für neuartige Batterieanoden unter dem Raster-Elektronenmikroskop (REM). Abb.: Fraunhofer IWS Dresden

Winzige Silizium-Federn sollen Zellen vor dem Atmungstod bewahren

Auf dem Weg dahin müssen die Entwickler allerdings nicht nur die Chemie und die Beschichtungsprozesse für ihre Zellen weiter verbessern, sondern auch ein mechanisches Problem lösen: Unter dem Mikroskop hat sich gezeigt, dass die mit Silizium oder Lithium dünn beschichteten Elektroden immer wieder schrumpfen und sich ausdehnen, wenn die Batterien aufgeladen oder entladen werden – als ob die Zelle atmen würde. Dies ist allerdings ein Problem, da die mechanische Belastung die Elektroden durch diese „Atmung“ rasch zerstören kann. Daher experimentieren die Kooperationspartner nun auch mit winzig kleinen Federn. Dafür arbeiten sie an speziellen Schichten für die Kathode: „Durch eine spezielle Anpassung ihrer mikroskopischen Eigenschaften soll diese abfedernde Eigenschaften erhalten und damit ebenfalls wesentlich zu einer höheren Energiedichte der neuen Batteriegeneration beitragen“, so Dr. Kristian Nikolowski vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologen und Systeme IKTS.

Parallel dazu arbeiten die Partner auch an speziellen Schichten für das Gegenstück zur Anode, also für die Kathode: Die soll durch eine Schwefelbeschichtung ebenfalls wesentlich zu einer höheren Energiedichte der neuen Batteriegeneration beitragen.

Fraunhofer, TU und Leibniz ziehen in Dresden an einem Strang

Um all diese Technologien in Prototypen zu gießen und schließlich zur Serienreife zu führen, vereinen die Kasili-Partner verschiedene Forschungsstärken, die einander ergänzen. Das IWS bringt seine Erfahrungen in der Dünnschicht-Technologie ein. Das Fraunhofer IKTS kümmert sich um die oxidische Kathodentechnik und deren Skalierung. Das Nanoelektronik-Labor „Namlab“ der Technischen Universität Dresden (TUD) untersucht mit speziellen Spektroskopie-Anlagen die neudesignten Anoden. Das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden fokussiert sich auf die strukturellen Analysen der Elektrodenschichten. Die TUD-Lehrstühle für anorganische Chemie von Prof. Stefan Kaskel und für anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe von Prof. Alexander Michaelis übernehmen die Vorlaufforschung für neue Elektroden-Aufbauten.

Außerdem kooperieren diese Dresdner Institute mit Batterieforschern aus Münster, München und Ulm. Die Sachsen agieren dabei als eine Art Hightech-Schmiede für neue Werkstoffe innerhalb des deutschlandweiten Verbundes „Forschungsfabrik Batterie“,

Prototypen für Forschungsfertigung in Münster sollen 2022 fertig sein

Bis zum Jahr 2022 wollen die Kasili -Partner funktionsfähige Demonstratoren fertig haben. Danach fließt das neue Batterie-Design in eine „Forschungsfertigung Batteriezelle“ in Münster ein. All dies zielt letztlich darauf, eine eigene Großproduktion von Batteriezellen in der Bundesrepublik aufzubauen. Dies soll die Wettbewerbsfähigkeit von Elektroautos „Made in Germany“ verbessern und Arbeitsplätze in Deutschland sichern.

Autor: Heiko Weckbrodt

Quelle: IWS Dresden