Dickschichtelektroden für Batteriezellen Mehr Aktivmaterial, weniger inaktive Komponenten

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Das Fraunhofer ISE hat Batterieelektroden mit bis zu 800 µm dicken Beschichtungen entwickelt. Der Ansatz soll die Energiedichte um 10 bis 15 Prozent erhöhen und zugleich die Zellfertigung vereinfachen, muss seine Vorteile bei Ladeleistung und Lebensdauer aber noch beweisen.

Die Energiedichte einer Batteriezelle hängt nicht nur von ihrer Zellchemie ab. Auch der konstruktive Anteil von Stromableitern, Separatoren und weiteren elektrochemisch inaktiven Komponenten beeinflusst, wie viel Energie sich bezogen auf Gewicht und Volumen speichern lässt. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE setzt deshalb bei der Elektrodenarchitektur an: Statt vieler dünn beschichteter Stromableiter verwendet das Forschungsteam deutlich dickere Elektroden.

Übliche Elektrodenbeschichtungen seien etwa 100 bis 200 µm dick, erklärt das Institut. Beim neuen Aufbau erreicht die Beschichtung bis zu 800 µm. Dadurch werden innerhalb der Zelle weniger Kupfer- beziehungsweise Aluminiumfolien benötigt. Der frei werdende Raum steht für zusätzliches Aktivmaterial zur Verfügung. Abhängig von Zellchemie und Auslegung soll die gravimetrische Energiedichte dadurch um 10 bis 15 Prozent steigen.

Das Konzept wurde zunächst an kleinen Laborzellen mit Lithium-Ionen-, Natrium-Ionen- und Zink-Ionen-Chemie untersucht. Für die Lithium-Ionen-Variante stellte das Fraunhofer ISE außerdem Pouchzellen auf einer halbautomatisierten, industrienahen Fertigungslinie her. Die Pressemitteilung spricht damit noch nicht von einer serienreifen Zelle, geht aber über einen reinen Materialversuch hinaus. Fraunhofer ISE

Warum weniger Stromableiter die Zelle verbessern

Bei einer konventionellen Zelle wechseln sich beschichtete Stromableiter und Separatoren vielfach ab. Die Metallfolien leiten zwar den Strom, speichern selbst aber keine Energie. Werden die einzelnen Elektroden dicker, lässt sich dieselbe Menge Aktivmaterial theoretisch mit weniger Folien, Separatorfläche und Kontaktstellen unterbringen.

Der Fraunhofer-Ansatz verbessert daher nicht die spezifische Kapazität des Elektrodenmaterials selbst. Der Zugewinn entsteht auf Zellebene durch ein günstigeres Verhältnis von aktivem zu inaktivem Material. Das unterscheidet den Ansatz von neuen Zellchemien, Siliziumanoden oder Lithium-Metall-Konzepten: Die Steigerung soll weitgehend über den Zellaufbau erreicht werden und lässt sich laut Institut auf unterschiedliche Chemien übertragen.

Für stationäre Speicher kann das besonders interessant sein. Dort stehen maximale Schnellladefähigkeit und höchste Leistungsdichte häufig weniger stark im Vordergrund als Kosten, Lebensdauer und Energieinhalt. Gleichzeitig könnten dickere Elektroden den Montageaufwand verringern, weil weniger Einzellagen verarbeitet und kontaktiert werden müssen.

Dicke Elektroden bringen neue Transportprobleme

Der konstruktive Vorteil hat jedoch eine elektrochemische Kehrseite. Mit zunehmender Elektrodendicke verlängern sich die Transportwege für Lithium-, Natrium- oder Zink-Ionen. Auch die elektronische Leitfähigkeit, die gleichmäßige Benetzung mit Elektrolyt und die homogene Stromverteilung werden anspruchsvoller. Die Reaktionen können sich stärker auf die oberflächennahen Bereiche konzentrieren, während tiefer liegendes Aktivmaterial bei hohen Strömen nicht vollständig genutzt wird.

Mögliche Folgen sind ein höherer Innenwiderstand, geringere Lade- und Entladeraten sowie eine ungleichmäßige Alterung. Aus diesem Grund ist die Dicke kommerzieller Elektroden bislang ein Kompromiss zwischen Energieinhalt und Leistungsfähigkeit. Forschungsansätze mit strukturierten Poren oder ausgerichteten Partikeln versuchen, die Tortuosität – also die Umwege der Ionen durch das Porensystem – zu reduzieren.

Ob die bis zu 800 µm dicken Fraunhofer-Elektroden dieses Problem ausreichend lösen, lässt sich anhand der veröffentlichten Angaben noch nicht beurteilen. Es fehlen unter anderem Werte zur Flächenkapazität, C-Rate, Zyklenfestigkeit, Schnellladefähigkeit, Coulomb-Effizienz und zum Innenwiderstand. Auch ein direkter Vergleich mit einer konventionellen Referenzzelle gleicher Chemie und Kapazität wird nicht angegeben. Die genannten 10 bis 15 Prozent sind daher zunächst ein Architekturpotenzial und noch kein vollständiger Leistungsnachweis.

PFAS-freie Fertigung ohne giftige Lösungsmittel

Ein zweiter Vorteil liegt im Herstellungsprozess. Die Elektroden sollen PFAS-frei sein und ohne giftige Lösungsmittel gefertigt werden. Bei der verbreiteten Nassbeschichtung werden Aktivmaterial, Leitadditive und Binder zu einer Suspension verarbeitet, auf eine Metallfolie aufgetragen und anschließend getrocknet. Vor allem bei Kathoden kommt häufig N-Methyl-2-pyrrolidon, kurz NMP, als Lösungsmittel für den fluorhaltigen Binder PVDF zum Einsatz. Trocknung, Rückgewinnung und Aufbereitung des Lösungsmittels benötigen große Anlagen und viel Energie.

Das Fraunhofer ISE nennt zwar keine detaillierte Prozessbeschreibung oder Binderzusammensetzung. Laut Institut soll eine spätere Fertigungslinie aber weniger komplex sein sowie weniger Energie und Fläche benötigen als eine heutige Nassbeschichtungsanlage. Dadurch könnten sowohl Investitions- als auch Betriebskosten sinken. Für kleinere Zellfabriken wäre dies relevant, weil gerade die langen Trocknungsstrecken und die Lösungsmittelbehandlung hohe Einstiegshürden darstellen.

Bemerkenswert ist die Verbindung beider Hebel: Das Verfahren soll nicht allein die energieintensive Nassbeschichtung ersetzen, sondern zugleich sehr dicke Elektroden ermöglichen. Dadurch könnten sowohl die Herstellungskosten als auch der Anteil inaktiver Komponenten sinken.

Konkurrenz arbeitet ebenfalls an trockenen Elektroden

Alleinstellungsmerkmal ist die lösungsmittelfreie Elektrodenfertigung allerdings nicht. Mehrere Unternehmen und Forschungseinrichtungen verfolgen vergleichbare Trockenbeschichtungsverfahren:

Das Fraunhofer IWS entwickelt mit DRYtraec ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Dabei entsteht durch Scherkräfte im Kalanderspalt ein trockener Elektrodenfilm, der anschließend auf den Stromableiter übertragen wird. Auch dieser Prozess verzichtet auf Lösungsmittel und energieintensive Trocknungsstrecken. DRYtraec

LiCAP Technologies formt mit seiner Activated-Dry-Electrode-Technik freistehende Elektrodenfilme. Dürr entwickelt darauf aufbauend Anlagen für eine kontinuierliche industrielle Fertigung und plant gemeinsam mit Cellforce eine Pilotlinie. Dürr

AM Batteries bringt trocken vermischtes Aktivmaterial, Binder und Leitadditive pulverförmig auf den Stromableiter auf und verdichtet die Schicht anschließend durch Kalandrieren. Das Unternehmen positioniert den Prozess vor allem als Ersatz für Mischen, Nassbeschichten, Trocknen und Lösungsmittelrückgewinnung. AM Batteries

Tesla arbeitet bei seinen 4680-Zellen ebenfalls an trockenen Elektroden. Der Hochlauf zeigt zugleich die Schwierigkeiten der Technik: Insbesondere die gleichmäßige Beschichtung, mechanische Stabilität und Ausbeute bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten gelten als Herausforderungen. Berichten zufolge bereitete vor allem die Skalierung der trockenen Kathodenfertigung Probleme. Reuters

Diese Verfahren konkurrieren jedoch nicht vollständig mit der Fraunhofer-ISE-Architektur. Viele Anbieter stellen zunächst die kostengünstigere und lösungsmittelfreie Herstellung konventionell dimensionierter Elektroden in den Vordergrund. Das Fraunhofer ISE kombiniert die trockene, PFAS-freie Fertigung dagegen ausdrücklich mit Beschichtungsdicken von bis zu 800 µm und einer Verringerung der Stromableiterzahl. Hinzu kommt die experimentelle Übertragung auf drei unterschiedliche Zellchemien.

Wettbewerbsvorteil hängt von der Anwendung ab

Für Elektroautos wäre eine um 10 bis 15 Prozent höhere Energiedichte attraktiv. Dort muss der Ansatz allerdings zeigen, dass die dickeren Elektroden bei Schnellladung, niedrigen Temperaturen und hohen Leistungsanforderungen nicht zum Flaschenhals werden. Ohne entsprechende Messwerte ist noch offen, ob der Energiegewinn auf Zellebene möglicherweise durch eine geringere Leistungsfähigkeit erkauft wird.

Näheliegender erscheint zunächst der Einsatz in stationären Speichern. Hier können niedrigere Fertigungskosten und ein hoher Aktivmaterialanteil wichtiger sein als kurze Ladezeiten. Auch Natrium-Ionen- und Zink-Ionen-Zellen zielen häufig auf solche Anwendungen. Die Übertragbarkeit der Architektur auf diese Chemien könnte deshalb strategisch bedeutsamer sein als der alleinige Vergleich mit heutigen Lithium-Ionen-Zellen für Elektrofahrzeuge.

Vom Prototyp zur Serienfertigung bleibt ein weiter Weg

Der Fraunhofer-Ansatz adressiert zwei zentrale Kostentreiber gleichzeitig: Er reduziert inaktive Zellbestandteile und soll die Elektrodenfertigung vereinfachen. Genau diese Kombination hebt ihn von vielen konkurrierenden Trockenbeschichtungsverfahren ab. Bislang fehlen jedoch öffentlich zugängliche Kennwerte, die den praktischen Nutzen der 800-µm-Elektroden unter realistischen Bedingungen belegen.

Für eine belastbare Einordnung wären vor allem Vollzelldaten über mehrere Hundert oder Tausend Zyklen, Messungen bei unterschiedlichen C-Raten sowie Angaben zur Ausschussquote und Produktionsgeschwindigkeit erforderlich. Erst dann zeigt sich, ob die Dickschichtarchitektur nicht nur mehr Aktivmaterial in die Zelle bringt, sondern dieses Material auch dauerhaft und mit ausreichender Leistung nutzbar macht. (mr)

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