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Hier werden Lithium-Batterie-Elektroden hergestellt.
Fraunhofer IKTS Dresden

Hier werden Lithium-Batterie-Elektroden hergestellt.

Deutsche Wissenschaftler wollen neuartige Batterien entwickeln, die bei gleichem Volumen mindestens 70 Prozent mehr Energie für Elektrofahrzeuge speichern können als herkömmliche Lithium-Ionen-Lösungen. Die Forscher von Fraunhofer, TU-Dresden und Leibniz arbeiten an innovativen Batterie-Elektroden, die aus hauchdünnen Silizium- oder Lithiumschichten bestehen.

Hinter „KaSiLi“ (Strukturmechanische Kathodenadaption für Silizium- und Lithiumwerkstoffe) steht ein Forschungsprojekt, das unter Federführung des Fraunhofer Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS von Dresden aus drei Jahre lang neue Elektroden-Technologien entwickeln soll. Ziel der Forschung: Elektrofahrzeuge sollen mit einer Batterieladung bis zu 700 Kilometer weit fahren, Smartphones deutlich seltener aufgeladen werden als bisher.

„Dadurch bahnt sich ein Quantensprung für die Batterietechnik an“, hofft Prof. Christoph Leyens, Institutsleiter des Fraunhofer IWS und Direktor des Instituts für Werkstoffwissenschaft der Technischen Universität Dresden. „Diese disruptive Technologie hat das Potenzial, den Standort Deutschland deutlich voranzubringen“, meint auch Chemie-Professor Stefan Kaskel von der TU Dresden, der das KaSiLi-Projekt leitet. „Letztlich wollen wir eine moderne Batteriezellen-Produktion in Deutschland etablieren. Dadurch wären wir bei der Wende hin zu Elektromobilität und zu erneuerbaren Energien weniger als bisher von Zulieferungen aus Fernost oder den USA abhängig“, betont Kaskel.

Die Dresdner entwickeln neue Materialien, Designprinzipien und Verarbeitungstechnologien für die Elektroden in den kleinsten Energiespeicher-Einheiten eines Akkumulators: den Batteriezellen, in denen sich Anode und Kathode finden. Wird eine Batterie geladen oder liefert sie gerade Strom für den Elektromotor in einem E-Auto, wandern die elektrischen Ladungsträger zwischen diesen beiden Polen hin und her.

Energiedichten von über 1 000 Wattstunden je Liter 

Die Anode in einer Lithium-Ionen-Batterie besteht meist aus einem wenige tausendstel Millimeter dünnen Kupfer-Stromleiter, der mit einer etwa 100 Mikrometer dicken Grafitschicht bedeckt ist. Diese Schicht wollen die Dresdner Chemiker durch weit dünnere Schichten aus Silizium oder Lithium ersetzen. Sie sollen dann nur noch rund zehn bis 30 Mikrometer messen. Im Labor funktioniere das auch schon recht gut und sorge bereits für mehr Energiespeicher-Vermögen, heißt es vom Fraunhofer-Institut.

„Heutige Lithium-Ionen-Akkus kommen auf eine Energiedichte von etwa 240 Wattstunden pro Kilogramm bzw. bis 670 Wattstunden pro Liter“, erklärt Stefan Kaskel. „Mit unseren Elektroden wollen wir auf deutlich über 1 000 Wattstunden pro Liter kommen.“

Auf dem Weg dorthin müssen die Entwickler allerdings ein mechanisches Problem lösen: Unter dem Mikroskop habe sich gezeigt, dass die mit Silizium oder Lithium dünn beschichteten Elektroden immer wieder schrumpfen und sich ausdehnen, wenn die Batterien aufgeladen oder entladen werden – als ob die Zelle atmen würde. Das Problem: Die mechanische Belastung kann die Elektroden durch diese „Atmung“ rasch zerstören. Deshalb arbeiten die Kooperationspartner an speziellen Schichten für die Kathode mit abfedernden Eigenschaften.

Prototypen bis zum Jahr 2022

Die Dresdner Wissenschaftler agieren innerhalb des deutschlandweiten Dachkonzepts „Forschungsfabrik Batterie“ als eine Art Hightech-Schmiede für neue Werkstoffe, das zahlreiche Förderaktivitäten des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter einem Dach vereint. Bis zum Jahr 2022 wollen die KaSiLi-Partner funktionsfähige Demonstratoren fertig haben. Danach soll das neue Batterie-Design in eine "Forschungsfertigung Batteriezelle" in Münster einfließen.

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