Für die Mobilitätswende wird mit höchster Intensität nach Hochleistungsbatteriesystemen für die Elektromobilität 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. Über die nächsten drei Jahre werden deshalb zehn Partner aus Wissenschaft und Industrie vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie für die Entwicklung von Hochleistungsbatterien auf Basis dreidimensionaler Stromableiter gefördert.

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

Im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens werden unter Verwendung bekannter Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien neuartige Elektrodenstrukturen designt. Die Entwicklungsidee 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. Aufgrund der dadurch generierten 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 dreidimensionalen Elektrodenstrukturen soll des Weiteren die Machbarkeit einer völlig neuartigen Bauweise für polymerbasierte Festkörperbatterien untersucht werden. Dazu wird innerhalb der Porenstruktur eine Multi-Lagen-Beschichtung – bestehend aus den Batterieelektroden und dem Festkörperelektrolyt – aufgebracht. 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 erhöht.

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

Projektpartner:

• Alantum Europe GmbH
• enfas GmbH
• Eurofoam Deutschland GmbH, Schaumstoffe
• Fraunhofer-Institut für angewandte Polymerforschung IAP
• Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung IFAM
• Hochschule Osnabrück, Fakultät MKT
• Jahnke GmbH
• se ma Gesellschaft für Innovationen mbH
• Smart Battery Solutions GmbH
• VARTA Microbattery GmbH

Förderung:

Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags.

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Förderkennzeichen: 03ET6111B