Nachhaltige Hochenergie-Batteriezelle mit erhöhter Energiedichte

Die Photovoltaikanlage auf dem Dach und der Heimspeicher im Keller sind heute Realität in vielen Haushalten; künftig dürften es mehr werden. Die Hersteller beider Komponenten sitzen in den allermeisten Fällen irgendwo in Fernost. Beim Heimspeicher könnte sich das schon bald ändern. Ein Forschungsteam vom Zentrum für Digitalisierte Batteriezellproduktion (ZDB) am Fraunhofer IPA, unterstützt durch die Firma Varta Microbattery, will nun eine nachhaltige und kostengünstige Hochenergie-Rundzelle für Heimspeicher entwickeln.

Hohe Energiedichte mit nachhaltigen Zellmaterialien

Dabei wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler komplett auf giftige oder krebserregende Materialien verzichten. So kommen in den Elektroden bisher Stoffe wie Nickel und Cobalt zum Einsatz. „Diese Materialien erfordern viel Sicherheitstechnik und aufwändige Schutzmaßnahmen in der Zellproduktion“, sagt Johannes Wanner, Geschäftssegmentleiter Batteriesysteme am Fraunhofer IPA. „Entfallen sie, wird die Produktion zwangsläufig günstiger.“

Das Forschungsteam um Wanner setzt deshalb auf eine Fluor-, Cobalt- und Nickel-freie Kathode, beispielsweise eine Lithium-Mangan-Eisenphosphat-Kathode (LMFP), und kombiniert diese mit einer hochkapazitiven Anode. Um dem Konzept einer nachhaltigen Batteriezelle gerecht zu werden, soll auch im Elektrolyten und Binder auf Fluor verzichtet werden, wodurch die Batteriezelle gänzlich Fluor-frei wäre. Durch diesen Verzicht wird auch die Zellsicherheit verbessert, da kein Fluorwasserstoff mehr entstehen kann.

„Bei der Batteriezellproduktion fallen bis zu 30 Prozent Ausschuss bei Materialwechsel auf neue Elektrodencoils an“, sagt Wanner. Kostentreiber und Umweltproblem zugleich. Reduzieren will das Forschungsteam den Ausschuss mithilfe der so genannten Delamination: Die fehlerhaften Beschichtungen auf den Elektroden sollen sich nachträglich wieder ablösen und ersetzen lassen. Durch den Verzicht auf den fluorhaltigen Standard-Binder Polyvinylidenfluorid (PVDF), ein als PFAS eingestuftes Material, können die Materialien einfacher wieder in neue Zellen eingebaut und die Recyclingquote so verbessert werden.

Im ZDB haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Fraunhofer IPA in den vergangenen Jahren eine durchgängig vernetzte Produktionslinie für zylindrische Batteriezellen aufgebaut. Diese wollen sie nun nutzen, um ihre nachhaltige Hochenergie-Rundzelle zu entwickeln und deren Herstellung zu skalieren. Der assoziierte Partner Varta Microbattery begleitet das Projekt. Bis Ende 2028 soll die Batteriezelle marktfähig sein.