Für die Mobilitätswende wird mit höchster Intensität nach innovativen Batteriesystemen für Elektroautos gesucht. Denn ein wesentlicher Schlüssel zum Erfolg dieser Technologien ist die breite und bezahlbare Verfügbarkeit von Batterien mit hoher Energie- und Leistungsdichte bei gleichzeitig wirtschaftlichem Fertigungs- und Wartungsaufwand. Zudem wird eine hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit über die gesamte Lebensdauer erwartet.

Lithium-Ionen-Batteriezellen aus dem Consumer-Bereich, wie sie zum Beispiel in Mobiltelefonen oder Laptops zum Einsatz kommen, und Batteriesysteme für Elektroautos basieren auf dem identischen elektrochemischen Grundprinzip. In beiden Fällen ist es das Ziel, auf kleinstem Raum eine möglichst hohe Energiemenge zu speichern. Für Elektroautos gelten jedoch wesentlich strengere Sicherheitsvorschriften – bei gleichzeitig hohen Leistungsanforderungen mit hohen Lade- und Entladeströmen. Zukünftige Speichertechnologien werden daher gänzlich neue Herausforderungen erfüllen müssen.

Metallschaum soll Elektroauto-Akkus besser machen

Im Rahmen eines neuen Forschungsvorhabens werden unter Verwendung bekannter Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien neuartige Elektrodenstrukturen designt. Die Idee basiert dabei auf einem strukturierten Stromableiter in Form eines offenporigen Metallschaums. Durch die Beschichtung der Schaumporen mit elektrochemisch aktiven Elektrodenmaterialien kann eine dreidimensionale Elektrode unter Beibehaltung der offenporigen Struktur realisiert werden. Dank der sehr großen Kontaktfläche zwischen dem Schaum und dem Elektrodenmaterial kann eine effektive Diffusion von Lithium-Ionen bei gleichzeitiger exzellenter elektronischer Leitfähigkeit der Elektrode sichergestellt werden.

Basierend auf diesen Strukturen soll des Weiteren die Machbarkeit einer völlig neuartigen Bauweise für schaumbasierte Batterien untersucht werden. Dazu wird innerhalb der Porenstruktur eine Multi-Lagen-Beschichtung aufgebracht – bestehend aus den Batterieelektroden und dem Festkörperelektrolyt. Die große innere Oberfläche des Schaums ermöglicht dabei die Realisierung einer wesentlich höheren Leistungsdichte im Vergleich zu Batterien, die im klassischen, zweidimensionalen Lagendesign aufgebaut sind. Zusätzlich wird hierbei erstmals der Einsatz eines Polymerelektrolyten erprobt, der durch seine besonderen Eigenschaften die Sicherheit der finalen Batteriezelle deutlich erhöhen soll.

Die Form der Batteriezellen ist frei wählbar

Der vorgestellte Aufbau ermöglicht zudem nahezu beliebig wählbare äußere Formen, wie zum Beispiel zylindrische, sphärische oder unregelmäßige Geometrien. Dadurch sind Einpassungen von Batteriezellen in jeden gegebenen Einbauraum denkbar.

Die unterschiedlichen Zelltypen sollen nicht nur für den Einsatz in mobilen Anwendungen mit hoher Leistungsanforderung prädestiniert sein, sondern auch den Anspruch zum Aufbau langlebiger und sicherer stationärer Speicher mit der Fähigkeit zur Pufferung von Lastspitzen erfüllen.

Die Projektpartner sind Alantum Europe GmbH, enfas GmbH, Eurofoam Deutschland GmbH, das Fraunhofer-Institut für angewandte Polymerforschung IAP, das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung IFAM, die Hochschule Osnabrück (Fakultät MKT), die Jahnke GmbH, die se ma Gesellschaft für Innovationen mbH, Smart Battery Solutions GmbH sowie VARTA Microbattery GmbH. Über die nächsten drei Jahre werden die zehn Partner aus Wissenschaft und Industrie vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft – Pressemitteilung vom 26.10.2017