Alufolie könnte Lithium-Ionen-Akkus künftig leistungsfähiger und günstiger machen. Forscher des Fraunhofer IPA in Stuttgart haben eine neue Anodentechnologie entwickelt, die Graphit und Kupferfolie überflüssig machen soll. Das Verfahren ist bereits patentiert.
Lithium-Ionen-Batterien stecken heute in so gut wie allen mobilen Geräten und sind aus unserem Alltag kaum noch wegzudenken. Aber auch für die Energiewende spielen sie eine entscheidende Rolle.
Denn mit der zunehmenden Elektrifizierung des Straßenverkehrs und dem Ausbau erneuerbarer Energien wird die Nachfrage nach leistungsfähigen Batteriespeichern in den kommenden Jahren massiv steigen.
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Allein für E-Auto-Batterien wird der Leistungsbedarf Prognosen zufolge bis zum Jahr 2030 auf rund 3.000 Gigawattstunden ansteigen. Nur zehn Jahre zuvor waren es noch 136 Gigawatt.
Mit dem zunehmenden Bedarf an Batterieleistung steigt aber auch der Bedarf an Rohstoffen wie Lithium, Graphit und Kupfer. Dabei treiben jedoch insbesondere die hohen Rohstoffpreise und die teilweise aufwendige Gewinnung der Materialien die Herstellungskosten von Batterien in die Höhe.
Forscher arbeiten deshalb weltweit an neuen Technologien, um Batterien kostengünstiger und ressourcenschonender herzustellen. Einen vielversprechenden Ansatz verfolgen Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart.
Sie haben eine neue Anodentechnologie entwickelt, bei der Aluminiumfolie die bisher verwendeten Materialien Graphit und Kupfer ersetzen soll. Damit könnten Lithium-Ionen-Batterien künftig einfacher und deutlich günstiger hergestellt werden.
Kann Alufolie die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus revolutionieren?
Aluminium wird in der Batterieforschung schon länger als vielversprechendes Material für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien gehandelt. Denn das Metall ist vergleichsweise günstig, gut verfügbar und ermöglicht hohe Speicherkapazitäten.
Bisher stand dem Einsatz als Anodenmaterial in der Praxis jedoch ein entscheidendes Problem im Weg. Denn beim Laden und Entladen verändert Aluminium sein Volumen, wodurch es zu mechanischen Spannungen und infolgedessen zum Zerfall des Materials kommt.
Die Folge sind Kapazitätsverluste und eine deutlich verkürzte Lebensdauer der Batterie. Forscher des Fraunhofer IPA haben nun aber nach eigenen Angaben einen „technologischen Innovationssprung“ in dieser Hinsicht erzielt.
Denn sie konnten eine Technologie entwickeln, durch die Aluminium-Anoden während wiederholter Lade- und Entladezyklen stabilisiert werden können. Bei dem Vorgang, den das Fraunhofer IPA zusammen mit dem Institut für Photovoltaik der Universität Stuttgart entwickelt hat, können die Alterungsprozesse des Aluminiums verhindert werden.
„Wir machen eine seit Langem bekannte, aber bislang schwer beherrschbare Batterietechnologie praktisch nutzbar“, erklärt Professor Kai Peter Birke, wissenschaftlicher Direktor für Batterie- und Wasserstoffsysteme und -speicher am Fraunhofer IPA. „Unser Ansatz verbindet hohe Energiedichten mit einer einfachen, robusten und auf Sicherheit ausgelegten Zellchemie.“
Neue Technologie macht Graphit und Silizium überflüssig
Bei ihrem Verfahren können die Forscher gänzlich auf dein Einsatz von Graphit oder Silizium in der Anode verzichten. Dadurch umgehen sie ein Problem, das vor allem bei Batterien mit hohem Siliziumanteil auftritt.
Denn das Material dehnt sich beim Laden stark aus und zieht sich beim Entladen wieder zusammen, wodurch Risse und andere Schäden an der Elektrode entstehen können. Zudem wird kein Graphit mehr benötigt, bei dessen Versorgung die europäische Batterieindustrie stark von Importen aus dem Ausland abhängig ist.
Stattdessen kommt eine kostengünstige, handelsüblich legierte Aluminiumfolie zum Einsatz. Diese ist gleichzeitig Stromableiter und Aktivmaterial und macht so auch Kupfer als Trägerfolie überflüssig.
Auch die Herstellung der Elektroden wird dadurch einfacher. Denn der bisher notwendige, sehr aufwendige Beschichtungsprozess entfällt. Das spart nicht nur Kosten, sondern senkt auch den Energieverbrauch bei der Batterieproduktion erheblich.
„Unser Ziel ist eine Batterietechnologie, die hohe Energiedichte, robusten Zellbetrieb und wirtschaftliche Herstellbarkeit verbindet“, erklärt Kathrin Schad vom Forschungsteam Batterietechnologien am Fraunhofer IPA. „Der Durchbruch bei der Materialstabilität macht Batterien mit Aluminium-Anoden zu einer realistischen Option für die nächste Generation anspruchsvoller Energiespeicher.“
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