15 % mehr Energie ohne neue Zellchemie: Fraunhofer ISE verändert den Batterieaufbau

Mehr Energie speichern, ohne dafür eine völlig neue Batteriechemie zu entwickeln: Forschende des Fraunhofer ISE haben Elektroden deutlich dicker gemacht. Dadurch braucht eine Batteriezelle weniger Metallfolien und kann mehr Aktivmaterial aufnehmen. Die Energiedichte steigt nach Angaben des Instituts um bis zu 15 %.

Bei der Suche nach besseren Batterien geht es oft um neue Materialien: Silizium statt Grafit, Festelektrolyte statt Flüssigelektrolyte oder Natrium statt Lithium. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg setzt an einer anderen Stelle an. Die Forschenden verändern den inneren Aufbau der Zelle.

Übliche Elektrodenbeschichtungen sind nach Angaben des Instituts etwa 100 bis 200 µm dick. Das Fraunhofer-Team kommt auf bis zu 800 µm. Der Vorteil: Je dicker die einzelnen Elektrodenschichten ausfallen, desto weniger metallische Stromableiter werden für dieselbe Menge Aktivmaterial benötigt.

Warum weniger Metall mehr Energie bedeutet

Eine Lithium-Ionen-Zelle besteht aus vielen aufeinanderliegenden oder aufgewickelten Schichten. Auf der einen Seite befindet sich die Anode, auf der anderen die Kathode. Dazwischen liegt jeweils ein Separator.

Das Material von Anode und Kathode wird auf dünne Metallfolien aufgebracht. Diese Stromableiter übernehmen eine wichtige Aufgabe: Sie leiten die Elektronen aus den Elektroden heraus beziehungsweise wieder hinein.

Bei Lithium-Ionen-Zellen kommt auf der Anodenseite üblicherweise Kupfer zum Einsatz, auf der Kathodenseite Aluminium. Für die Funktion der Batterie sind diese Folien unverzichtbar. Energie speichern sie jedoch nicht.

Wie Elektroden und andere Zellkomponenten in der Batterieproduktion zusammenkommen, zeigt auch ein Hintergrundbeitrag der VDI nachrichten zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien. Genau hier setzt der Fraunhofer-Ansatz an. Werden die Elektroden dicker, lässt sich dieselbe Menge Aktivmaterial auf weniger Schichten verteilen. Dadurch sinkt die Zahl der Stromableiter.

Der Anteil des elektrochemisch aktiven Materials am Zellgewicht steigt. Laut Fraunhofer ISE können die Zellen auf diese Weise 10 bis 15 % mehr Energie bei gleichem Gewicht speichern. Wie groß der Vorteil ausfällt, hängt von Batterietyp und Zellaufbau ab.

Bis zu 800 µm dicke Elektroden

Das Fraunhofer-Team erhöhte die Dicke der Elektrodenbeschichtung von üblicherweise 100 bis 200 µm auf bis zu 800 µm. Ein Dickenrekord ist das allerdings nicht.

Dickschichtelektroden sind seit Jahren Gegenstand der Batterieforschung. In einer 2024 veröffentlichten Arbeit wurden beispielsweise Elektroden mit Dicken zwischen 50 und 1000 µm hergestellt. Der interessante Punkt der Fraunhofer-Entwicklung liegt daher weniger in der maximalen Dicke als im gesamten Zell- und Fertigungskonzept.

Die Forschenden erprobten die neue Architektur zunächst in kleinen Laborzellen mit drei unterschiedlichen Batteriesystemen:

• Lithium-Ionen-Batterien,
• Natrium-Ionen-Batterien,
• Zink-Ionen-Batterien.

Bei Lithium-Ionen-Batterien gingen sie einen Schritt weiter. Hier fertigte das Team Pouchzellen mit der neuen Elektrodenstruktur auf einer semi-automatisierten Produktionslinie. Laut Fraunhofer kamen dabei industrienahe beziehungsweise in der Industrie übliche Prozesse zum Einsatz.

Auch Natrium-Ionen-Zellen sollen profitieren

Gerade bei Natrium-Ionen-Batterien ist das Verhältnis zwischen Aktiv- und Passivmaterial interessant. Natrium-Zellen erreichen bislang meist eine niedrigere Energiedichte als Lithium-Ionen-Zellen.

Im Forschungsprojekt VORAN versucht Fraunhofer ISE deshalb unter anderem, den Anteil des Aktivmaterials zu erhöhen. Dickere Elektroden sollen die Zahl der Stromableiter und Separatoren reduzieren und damit die Energiedichte auf Zellebene steigern.

Auch an anderen Stellen wird derzeit an der Natrium-Technologie gearbeitet. Forschende der BAM konnten beispielsweise die Anfangseffizienz einer Natrium-Ionen-Anode mit einem Kern-Schale-Aufbau deutlich verbessern, wie ingenieur.de zu neuen Natrium-Ionen-Batterien berichtet hat.

Der Fraunhofer-Ansatz unterscheidet sich davon grundsätzlich: Hier steht nicht ein neues Aktivmaterial im Mittelpunkt, sondern der konstruktive Aufbau der Elektroden und der gesamten Zelle.

Dickere Elektroden haben einen Nachteil

So naheliegend der Ansatz erscheint, beliebig dick lassen sich Elektroden nicht bauen. Ionen müssen sich beim Laden und Entladen durch die poröse Struktur der Elektrode bewegen. Wird die Schicht dicker, verlängern sich die Transportwege. Das kann insbesondere bei hohen Lade- und Entladeströmen zum Problem werden.

Eine 2024 in Electrochimica Acta veröffentlichte Untersuchung zeigt diesen Zielkonflikt deutlich. Mit zunehmender Elektrodendicke kann zwar die Energiedichte steigen. Gleichzeitig kann das Aktivmaterial bei hohen Ladeleistungen schlechter ausgenutzt werden. Als Ursachen nennen die Forschenden unter anderem langsamere Festkörperdiffusion und einen erschwerten Ionentransport im Elektrolyten.

Auch aktuelle Übersichtsarbeiten kommen zu diesem Ergebnis: Dickere Elektroden können die spezifische Energie einer Zelle verbessern, müssen aber so strukturiert werden, dass die Ionen weiterhin schnell genug transportiert werden können. Porosität und innere Transportwege spielen dabei eine wichtige Rolle.

Genau deshalb reicht die Aussage „bis zu 15 % mehr Energiedichte“ allein noch nicht aus, um die Leistungsfähigkeit einer Batterie vollständig zu beurteilen.

Wie schnell lassen sich die Zellen laden?

Hier bleiben nach der aktuellen Veröffentlichung Fragen offen. Fraunhofer ISE nennt keine detaillierten Vergleichswerte dazu, wie sich die bis zu 800 µm dicken Elektroden bei hohen Lade- und Entladeströmen verhalten. Auch konkrete Angaben zum Innenwiderstand, zur Zyklenfestigkeit oder zum Kapazitätserhalt über viele Ladezyklen enthält die Pressemitteilung nicht.

Für eine mögliche Anwendung im Elektroauto wären solche Werte besonders wichtig. Dort muss eine Batterie nicht nur möglichst viel Energie speichern, sondern sie auch schnell aufnehmen und mit hoher Leistung wieder abgeben können.

Die Entwicklung unterscheidet sich damit deutlich von Ansätzen wie der Festkörperbatterie, bei denen neue Elektrolyte und teilweise neue Elektrodenmaterialien im Mittelpunkt stehen. Was diese Technik tatsächlich leisten kann und warum enorme Reichweitenversprechen kritisch betrachtet werden müssen, zeigt der Beitrag „Feststoffbatterien fürs E-Auto: So realistisch sind 1500 km pro Ladung“ auf ingenieur.de.

Bedeutet 15 % mehr Energiedichte auch 15 % mehr Reichweite?

Nein. Diese Rechnung wäre zu einfach. Fraunhofer spricht von einer Verbesserung auf Zellebene und bei gleichem Gewicht. Das Institut veröffentlicht in der aktuellen Mitteilung allerdings keine absoluten Werte in Wh/kg. Damit lässt sich nicht beurteilen, wo die neuen Zellen im Vergleich zu aktuellen Serienbatterien liegen.

Bei einem Elektroauto kommt hinzu, dass der komplette Akku nicht nur aus Zellen besteht. Gehäuse, Kühlung, elektrische Verbindungen, Sensoren und Batteriemanagement bringen zusätzliches Gewicht mit. Aus 15 % mehr Energie auf Zellebene werden deshalb nicht automatisch 15 % mehr Reichweite im Fahrzeug.

Elektroden kommen ohne PFAS aus

Neben dem Zellaufbau hat Fraunhofer auch die Fertigung im Blick. Die entwickelten Elektroden sind nach Angaben des Instituts PFAS-frei und werden ohne giftige Lösungsmittel hergestellt.

Die neue Architektur soll zudem eine weniger komplexe Produktionslinie ermöglichen als die heute verbreitete Nassbeschichtung. Fraunhofer erwartet dadurch geringere Investitionskosten sowie einen niedrigeren Platz- und Energiebedarf. Konkrete Vergleichswerte oder Kosten pro Kilowattstunde nennt das Institut allerdings nicht.

Dass die Elektrodenfertigung ein wesentlicher Kosten- und Energieposten der Batteriezellproduktion ist, beschäftigt die Forschung schon länger. Bereits 2019 berichtete ingenieur.de über ein Fraunhofer-Verfahren zur Trockenbeschichtung von Batterieelektroden, das auf Lösungsmittel und einen energieintensiven Trocknungsschritt verzichten soll.

Für die europäische Batterieindustrie sind solche Fertigungsverfahren ein wichtiger Hebel. Neben der Zellchemie entscheiden Produktionskosten und Prozessqualität darüber, ob Batterien wettbewerbsfähig hergestellt werden können. Einen Überblick über diese Entwicklung gibt der ingenieur.de-Beitrag „So entwickelt sich Europas Batterieindustrie“.

Quellen

• Fraunhofer ISE: More Energy at the Same Weight – Fraunhofer ISE Optimizes Battery Cells
• Fraunhofer ISE: VORAN – Innovative Natrium-Ionen-Batteriespeicher für stationäre und mobile Anwendungen
• Electrochimica Acta: Understanding the limitations of thick electrodes on the rate capability of high-energy density lithium-ion batteries
• Journal of Energy Storage: Manufacturing techniques for improved rate capacity of thick electrodes by tailored electrode structures