Bei gleichem Volumen 70 % mehr Energie

Fraunhofer IWS entwickelt bessere Batterien für Elektroautos

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Ziel des Projektes KaSiLi ist es, Batterien mit Energiedichten von über 1000 Wh/L zu erreichen. Das Bild zeigt den Aufbau der Pouchzellen in drei Stufen: Die Zellen werden durch Stapeln von Einzellagen aus Elektroden und Separatoren assembliert. Das ermöglicht industrienahe Materialtests für verschiedenste Zellsysteme Bild: Fraunhofer IWS Dresden
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Deutsche Wissenschaftler wollen im Dachkonzept „Forschungsfabrik Batterie“ neuartige Batterien entwickeln, die bei gleichem Volumen mindestens 70 % mehr Energie für Elektrofahrzeuge und Smartphones speichern können als herkömmliche Lithium-Ionen-Lösungen. Und sie sollen in Deutschland gefertigt werden können. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Kompetenzclusters für Batteriematerialien „ExcellBattMat“ steuert das Dresdner Projekt KaSiLi: Strukturmechanische Kathodenadaption für Silizium- und Lithiumwerkstoffe) am ExcellBattMat-Zentrum Schlüsselkomponenten für diese neue Batterie-Generation bei. Unter der Federführung des Fraunhofer Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden, arbeiten die Forscher seit November 2019 daran, innovative Batterie-Elektroden aus hauchdünnen Silizium- oder Lithiumschichten herzustellen.

Standort Deutschland voranbringen

„Dadurch bahnt sich ein Quantensprung für die Batterietechnik an“, hofft Prof. Christoph Leyens, Institutsleiter des Fraunhofer IWS und Direktor des Instituts für Werkstoffwissenschaft der Technischen Universität Dresden. „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 ExcellBattMat-Zentrum am Fraunhofer IWS und das vom BMBF geförderte KaSiLi-Projekt leitet.

Expertise für elektromobile Zukunft

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. 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. Heute besteht die Anode in einer Lithium-Ionen-Batterie meist aus einem wenige Mikrometer (Tausendstel Millimeter) dünnen Kupfer-Stromleiter, der mit einer etwa 100 μm dicken Grafitschicht bedeckt ist.

Energiedichten von über 1000 Wh/L erreichbar

Diese Graphit-Schicht wollen die Dresdner Chemiker durch weit dünnere Schichten aus Silizium oder Lithium ersetzen. Diese sollen dann nur noch rund zehn bis 20 bis 30 μm 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 bzw. bis 670 Wattstunden pro Liter“, erklärt Kaskel. „Mit unseren Elektroden wollen wir auf deutlich über 1000 Wattstunden pro Liter kommen“.

Prototypen 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. mc

Kontakt:

Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
Winterbergstr. 28
01277 Dresden
Tel. 0351/833910
www.iws.fraunhofer.de

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