Dresden: Forschung an neuartigen Batterie-Elektroden

Forscher des Dresdner ExcellBattMat-Zentrums am Fraunhofer IWS haben sich zum Ziel gesetzt, Schlüsselkomponenten für das Großvorhaben „Forschungsfertigung Batteriezelle“ in Münster beizusteuern. Forschungsobjekt sind Elektroden aus Silizium- oder Lithiumschichten.

Zum Hintergrund: Deutsche Wissenschaftler wollen an verschiedenen Standorten ihre Kompetenzen bündeln und im Dachkonzept „Forschungsfabrik Batterie“ neuartige Batterien u.a. für Elektroautos entwickeln, die bei gleichem Volumen mindestens 70 Prozent mehr Energie speichern können als herkömmliche Lithium-Ionen-Lösungen. Die Rede ist von Elektrofahrzeuge, die imstande sein sollen, mit einer Batterieladung bis zu 700 Kilometer weit zu fahren.

Übergeordnetes Ziel ist es, die Basis für eine eigene Großproduktion von Batteriezellen in der Bundesrepublik zu schaffen. Dazu präsentieren Wissenschaftler aus Dresden nun ihren auf drei Jahre angelegten Forschungsbeitrag. Sie arbeiten seit diesem Monat an Elektroden, die aus hauchdünnen Si- oder Li-Schichten bestehen, um hohe Energiedichten zu erreichen. Sie agieren nach eigenen Angaben quasi als Hightech-Schmiede für neue Werkstoffe innerhalb der „Forschungsfabrik Batterie“, die zahlreiche Batterie-Förderaktivitäten des Bundesforschungsministeriums unter einem Dach vereint.

Überschrieben ist das Dresdener Projekt mit dem Titel KaSiLi (Strukturmechanische Kathodenadaption für Silizium- und Lithiumwerkstoffe), eingebettet ist es ferner in das vom BMBF geförderte Kompetenzcluster für Batteriematerialien ExcellBattMat. Bis 2022 wolle das Forscherteam funktionsfähige Demonstratoren fertig haben, heißt es in einer begleitenden Pressemitteilung. Danach fließe das neue Batterie-Design in die „Forschungsfertigung Batteriezelle“ in Münster ein.

Aber worum geht’s konkret? Die Antwort: In Dresden sollen neue Materialien, Designprinzipien und Verarbeitungstechnologien für die Elektroden von Batteriezellen entwickelt werden. Heute bestehe die Anode in einer Lithium-Ionen-Batterie meist aus einem wenige Mikrometer dünnen Kupfer-Stromleiter, der mit einer etwa 100 Mikrometer dicken Grafit-Schicht bedeckt ist, erläutert das Forscherteam. Diese Graphit-Schicht wolle man durch weit dünnere Schichten aus Silizium oder Lithium ersetzen. Im Labor funktioniere das auch schon recht gut und sorge bereits für mehr Energiespeicher-Vermögen. „Heutige Lithium-Ionen-Akkus kommen auf eine Energiedichte von etwa 240 Wattstunden pro Kilogramm bzw. bis 670 Wattstunden pro Liter, mit unseren Elektroden wollen wir auf deutlich über 1.000 Wattstunden pro Liter kommen“, äußert Stefan Kaskel, Chemie-Professor an der TU Dresden und Leiter sowohl des ExcellBattMat-Zentrums in Dresden als auch des KaSiLi-Projekts.

An dem Vorhaben sind mehrere Institutionen beteiligt: Das Fraunhofer IWS bringt seine Erfahrungen in der Dünnschicht-Technologie ein. Das Fraunhofer IKTS kümmert sich um die oxidische Kathodentechnik und deren Skalierung. Das Nanoelektronik-Labor („NaMLab“) der Technischen Universität Dresden (TUD) untersucht mit speziellen Spektroskopie-Anlagen die neudesignten Anoden. Das Dresdner Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung fokussiert sich auf die strukturellen Analysen der Elektrodenschichten. Die TUD-Lehrstühle für anorganische Chemie und für anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe übernehmen die Vorlaufforschung für neue Elektroden-Aufbauten. Außerdem kooperieren die Dresdner Einrichtungen mit den drei anderen ExcellBattMat-Zentren Deutschlands in Münster, München und Ulm.
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