Dünnschicht-Elektroden aus Si und Li Bessere Akkus für Elektroautos »Made in Germany«

Das Joint Venture 4R Energy hat ein System entwickelt, mit dem sich die Leistungsfähigkeit gebrauchter Akkus schnell bestimmen lässt.

An Akkus, die bei gleichem Volumen 70 % mehr Energie speichern können als bisherige Li-Ionen-Speicher, arbeiten Wissenschaftler im Projekt KaSiLi. Das Projekt zielt auch darauf ab, eine moderne Batteriezellproduktion in Deutschland zu ermöglichen.

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Kompetenzclusters für Batteriematerialien ExcellBattMat steuert das Dresdner ExcellBattMat-Zentrum mit dem Projekt KaSiLi (Strukturmechanische Kathodenadaption für Silizium- und Lithiumwerkstoffe) Schlüsselkomponenten für eine neue Batterie-Generation bei: Forscher des Fraunhofer IWS, der TU Dresden und des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Wertstoffforschung arbeiten gemeinsam an Batterie-Elektroden, die aus hauchdünnen Silizium- oder Lithiumschichten bestehen, um hohe Energiedichten zu erreichen.

Energiedichten von mehr als 1000 Wh/l

Heute besteht die Anode in einem Lithium-Ionen-Akku meist aus einem wenige Mikrometer dünnen Kupfer-Stromleiter, der mit einer etwa 100 µm dicken Grafitschicht bedeckt ist. Diese Graphit-Schicht wollen die Dresdner Chemiker durch weit dünnere Schichten aus Silizium oder Lithium ersetzen, die nur noch rund 20 bis 30 µm messen. Im Labor funktioniert das schon recht gut und sorgt bereits für mehr Energiespeicher-Vermögen. »Heutige Lithium-Ionen-Akkus kommen auf eine Energiedichte von etwa 240 Wh/kg bzw. bis 670 Wh/l. Mit unseren Elektroden wollen wir auf deutlich über 1000 Wh/l kommen«, erklärt Prof. Stefan Kaskel von der TU Dresden, der das ExcellBattMat-Zentrum am Fraunhofer IWS und das vom BMBF geförderte Projekt KaSiLi leitet.

Dazu 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. Das ist 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, die dadurch abfedernde Eigenschaften erhalten soll.

Forschungsfertigung Batteriezelle

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.