Kai Peter Birke vom Fraunhofer IPA: Aluminium-Anoden sollen Batterien sicherer machen

Ein Forscherteam um Kai Peter Birke vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) entwickelte in Kooperation mit dem Stuttgarter Institut für Photovoltaik eine neuartige, bereits patentierte Methode für Elektroden und Zellen. Sie soll Aluminium-Anoden für den industriellen Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien stabilisieren und damit ein jahrelanges Problem lösen.

• Die neue Technologie verhindert Kapazitätsverluste und strukturellen Zerfall der Aluminium-Anode während wiederholter Lade- und Entladezyklen.
• Kombiniert mit einer Lithium-Manganoxid-Kathode entsteht eine Zelle, die phosphatfrei und potenziell fluorfrei ist.
• Die Zellchemie lässt sich auf bestehenden Produktionsanlagen fertigen, ohne neue Infrastruktur aufzubauen.
• Erste Prototypen laufen bereits im Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion am Fraunhofer IPA.

Ein altes Problem bei Aluminium-Anoden ist gelöst

Aluminium gilt seit Langem als attraktives Anodenmaterial, weil es günstig und reichlich verfügbar ist. Bislang scheiterte der breite Einsatz jedoch daran, dass sich das Volumen von Aluminium beim Laden und Entladen verändert. Das führte zu mechanischen Spannungen, Rissen, Porenbildung und am Ende zur Pulverisierung des Elektrodenmaterials.

Genau dieses Problem hat das Team um Kai Peter Birke adressiert. Die patentierte Technologie stabilisiert die Anode über viele Zyklen hinweg und verhindert so den strukturellen Zerfall, der die industrielle Nutzung bislang verhindert hat.

Wie Aluminium und Lithium-Manganoxid zusammenarbeiten

Die Aluminium-Anode besteht aus einer kostengünstigen, handelsüblich legierten Aluminiumfolie, die gleichzeitig als Stromableiter und als Aktivmaterial dient. Auf Kupfer als Trägerfolie und einen aufwendigen Beschichtungsprozess verzichtet die Technologie vollständig.

Kombiniert wird die Anode mit einer Lithium-Manganoxid-Kathode, die günstiger und phosphatfrei ist als die verbreiteten Lithium-Eisenphosphat-Kathoden. Diese Kombination soll eine konkurrenzfähige Energiedichte gegenüber Lithium-Eisenphosphat-Zellen erreichen. Wird zusätzlich ein fluorfreier Elektrolyt mit hohem Flammpunkt eingesetzt, entsteht ein komplett fluor- und PFAS-freier Zellaufbau. Damit wäre auch das Risiko eliminiert, dass hochgiftiger Fluorwasserstoff aus der Batterie austritt.

Kai Peter Birke sieht Vorteile bei Sicherheit und Versorgung

Kai Peter Birke zufolge vereint das Verfahren eine hohe Energiedichte mit einer unkomplizierten, widerstandsfähigen und auf Sicherheit bedachten chemischen Zusammensetzung der Zelle. Das ist auch deshalb relevant, weil Graphit in der Anode als großes Versorgungsrisiko für die europäische Batterieindustrie gilt – ein Risiko, das eine Aluminium-Anode entschärfen könnte.

Die alternativen Elektrolytlösemittel mit hohem Flammpunkt ermöglichen zudem einen sicheren Betrieb bei erhöhten Temperaturen. Für Batterie-Anwendungen, bei denen Sicherheit und Materialverfügbarkeit entscheiden, könnte das ein wichtiger Vorteil sein.

Was als Nächstes für Luftfracht und Medizintechnik kommt

Mehrere Prototypen der neuen Batterie sind bereits gebaut und werden derzeit im Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion am Fraunhofer IPA getestet. Die Entwickler sehen vor allem in anspruchsvollen Einsatzfeldern Potenzial: etwa beim Tracking von Transportbehältern in der Luftfracht oder in spezialisierten medizintechnischen Geräten, wo Sicherheit und Materialstabilität besonders wichtig sind.

Weil die Zellchemie für bestehende Produktionsanlagen konzipiert ist, müsste für eine Serienfertigung keine komplett neue Fertigungsinfrastruktur entstehen.

Bild: Symbolbild, KI-erzeugt.