Dresdner Forschungsverbund Disruptive Elektrodentechnologie

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer Siliziumschicht mit definierter Struktur. Über die gezielte Einstellung von Struktur und Dicke der Schichten lassen sich die Eigenschaften der Anoden in der Batterieanwendung steuern.

Seit dem 1. November arbeiten in Dresden Forscher von Fraunhofer, TU Dresden und Leibniz im Rahmen des vom BMBF geförderten Kompetenzclusters für Batteriematerialien „ExcellBattMat“ an der Entwicklung disruptiver Batterie-Elektroden

Diese bestehen aus hauchdünnen Silizium- oder Lithiumschichten (Projekt: KaSiLi) und sollen hohe Energiedichten erreichen. Angelegt ist das Forschungsprojekt auf drei Jahre. Gelingt die Umsetzung der Forschungsergebnisse, könnte die deutsche Wirtschaft in der langen Wertschöpfungskette von der Batteriezelle bis zum fertigen Elektroauto deutlich mehr an Gewicht gewinnen.

Um dies zu erreichen, entwickeln die Dresdner Forscher neue Materialien, Designprinzipien und Verarbeitungstechnologien für die Elektroden als kleinste Energiespeicher-Einheit eines Akkumulators. Heute besteht die Anode einer Lithium-Ionen-Zelle meist aus einem wenige µm dünnen Kupfer-Stromleiter, der mit einer etwa 100 µm dicken Grafitschicht bedeckt ist. Diese Grafitschicht wollen die Dresdner Forscher durch nur 20 bis 30 µm dicke Schichten aus Silizium oder Lithium ersetzen. »Heutige Lithium-Ionen-Akkus kommen auf eine Energiedichte von etwa 240 Wh/kg bzw. 670 Wh/l«, erklärt Stefan Kaskel, Chemie-Professor an der TU Dresden, der in Personalunion das ExcellBattMat-Zentrum am Fraunhofer IWS und das vom BMBF geförderte KaSiLi-Projekt leitet. »Mit unseren Elektroden wollen wir dagegen auf deutlich über 1000 Wh/l kommen.«

Im Labor funktioniert das bereits. Unter dem Mikroskop hat sich aber auch gezeigt, dass eine so aufgebaute Elektrode mechanisch „atmet“, wenn sie geladen und entladen wird. Da diese mechanische Belastung die Elektrode schnell zerstören würde, arbeiten die Dresdner Kooperationspartner nun daran, dies mit winzig kleinen Federn zu verhindern. Dafür schaffen sie spezielle Schichten für die Kathode. »Durch eine spezielle Anpassung ihrer mikroskopischen Eigenschaften soll diese abfedernde Eigenschaften erhalten und damit ebenfalls wesentlich zu einer höheren Energiedichte der neuen Batteriegeneration beitragen«, erläutert Dr. Kristian Nikolowski vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS. Bis zum Jahr 2022 wollen die KaSilLi-Partner funktionsfähige Demonstratoren fertig haben. Danach fließt das neue Batteriedesign in eine „Forschungsfertigung Batteriezelle“ in Münster.