PerForManZ: Forschungsprojekt zu nachhaltigeren Batterien mit hoher Energiedichte

Im Rahmen des Forschungsprojekts PerForManZ entwickeln das ZSW-BW, Varta und weitere Industriepartner Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte. Dank neuen Materialien und Elektrodendesigns soll zugleich der Anteil kritischer Materialien reduziert werden.

Durch die Kombination neuer Konzepte bei den Speichermaterialen, den eingesetzten Komponenten und dem Zellaufbau soll die Energiedichte gesteigert werden, wie das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) mitteilt. Ziel sei außerdem, den Einsatz kritischer Rohstoffe wie Kupfer, Kobalt, Nickel und Naturgraphit signifikant zu reduzieren.

Neben dem ZSW sind die Bender GmbH Maschinenbau und Streckmetallfabrik, der Materialhersteller Wacker, der Batteriespezialist Varta AG und als assoziierter Partner die BMW Group beteiligt. Varta koordiniert das Vorhaben, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 2,5 Millionen Euro gefördert wird und bis zum 30. November 2024 läuft.

In der Anode soll das Graphit vor allem durch Silizium ersetzt werden. Ein bekannter Ansatz, um die Energiedichte zu erhöhen: Silizium kann rund zehn Mal mehr Lithium-Ionen aufnehmen als Graphit. Das ebenfalls bekannte Problem: Silizium ändert im elektrochemischen Speicherprozess sein Volumen sehr stark – was die Elektrode schädigt und die Lebensdauer der Zelle verkürzt.

Im Rahmen von PerForManZ sollen ein neues Material- und Zelldesign erarbeitet werden. „Die Materialien werden dabei so ausgelegt, dass sie direkt in üblichen Fertigungsprozessen für Elektroden eingesetzt werden können“, heißt es in der Mitteilung. Diese Materialien entwickelt Wacker in einem neuen Herstellprozess.

Aber auch die Kathode ist Teil des Forschungsprogramms, hier stehen etwa die metallischen Ableiterfolien im Fokus – an der Anode bestehen diese Folien meist aus Kupfer, an der Kathode aus Aluminium. Eine neuartige Ableiterstruktur soll den Materialeinsatz deutlich reduzieren, womit sich wegen der energieintensiven Verarbeitung von Aluminium auch die Gesamtbilanz verbessert. Trotz der neuen Struktur sollen die Verarbeitungseigenschaften gleich bleiben.

In dem umfassenden Projekt werden auch weitere Maßnahmen untersucht, etwa wie kostenaufwändige und qualitätsrelevante Prozessschritte optimiert werden können. Als Beispiel wird in der Mitteilung die Elektrolytbefüllung genannt, die deutlich verkürzt werden soll. Zudem soll dich spezielle neue Verfahrensschritte der Lithiumverlust bei dem erstmaligen Laden der Zelle, der sogenannten Formierung, ausgeglichen werden. Bisher wird bei der Formierung ein Teil des Lithiums vom Silizium der Anode gebunden und geht so für die Speicherung verloren.

Am Ende des Projekts sollen alle Verbesserungen in „industrienahe Herstellprozesse“ umgesetzt werden. Es geht also nicht nur um die Innovation an sich, sondern wie die Materialien in Serienqualität hergestellt werden können. Dabei soll auch die Pilotanlage zur Herstellung von Kathodenmaterialien genutzt werden, die das ZSW in Ulm baut.

Projektziel ist es, hochleistungsfähige leichte Elektroden in einem industrierelevanten Rolle-zu-Rolle-Prozess herzustellen und in Demonstratoren am ZSW zu verifizieren. Parallel führt Varta die Ergebnisse des Projekts in die Produktion von gewickelten Knopfzellen und 21700-Rundzellen ein.
zsw-bw.de