Fraunhofer macht Aluminium-Anoden für Batterien praxistauglich

Aluminium galt lange als attraktiver Ersatz für Graphit oder Silizium in Lithium-Ionen-Batterien: günstig, reichlich verfügbar, hohe Kapazität. Am praktischen Einsatz scheiterte es bisher trotzdem. Beim Laden und Entladen verändert Aluminium sein Volumen, die Elektrode bekommt Risse und Poren, am Ende zerfällt das Material zu Pulver. Kapazität sinkt, die Zelle altert schnell.

Genau dieses Problem will das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA jetzt gelöst haben. Zusammen mit dem Institut für Photovoltaik der Universität Stuttgart hat das Team eine Zell- und Elektrodentechnologie entwickelt und patentiert, die die Materialien während des Betriebs stabilisiert und den elektrischen Kontakt in der Elektrode über viele Zyklen erhält. „Wir machen eine seit Langem bekannte, aber bislang schwer beherrschbare Batterietechnologie praktisch nutzbar“, sagt Kai Peter Birke, wissenschaftlicher Direktor für Batterie- und Wasserstoffsysteme und -speicher am Fraunhofer IPA.

Der Clou liegt im Aufbau der Elektrode. Eine handelsübliche, legierte Aluminiumfolie übernimmt gleichzeitig die Rolle von Aktivmaterial und Stromableiter. Die sonst übliche Kupferfolie fällt weg, ebenso der separate Beschichtungsprozess, mit dem Aktivmaterial normalerweise auf den Stromableiter aufgebracht wird. Das senkt laut Fraunhofer sowohl Prozesskosten als auch den Energiebedarf in der Fertigung. Weil die Anode komplett ohne Graphit und Silizium auskommt, sinkt zudem die Abhängigkeit von Graphit, das für die europäische Batterieindustrie als kritischer Rohstoff gilt.

Als Kathode nennen die Forscher Lithium-Manganoxid (LMO). In Kombination mit der Aluminium-Anode soll sich eine konkurrenzfähige Energiedichte erreichen lassen, bei einer phosphatfreien Zellchemie, die als kostengünstige Alternative zu Lithium-Eisenphosphat-Zellen gilt. Kombiniert mit Elektrolytlösemitteln mit hohem Flammpunkt und einer fluorfreien LMO-Kathode wäre laut Fraunhofer sogar ein komplett fluor- und PFAS-freier Zellaufbau möglich. Das würde auch das Risiko ausschließen, dass bei einem Batteriebrand giftiger Fluorwasserstoff entsteht.

Erste Einsatzfelder sieht Fraunhofer dort, wo Sicherheit, Robustheit und wenig Bauraum zählen: Luftfracht, Tracking-Systeme für Transportbehälter, spezialisierte Medizintechnik. Wichtig für eine spätere Industrialisierung: Die Zellchemie soll sich auf bestehenden Produktionsanlagen fertigen lassen, ein kompletter Neuaufbau der Infrastruktur wäre demnach nicht nötig. Mehrere Prototypen laufen bereits im Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion des Fraunhofer IPA. Zu konkreten Zyklenzahlen oder zur gravimetrischen beziehungsweise volumetrischen Energiedichte macht das Institut bislang keine Angaben, das bleibt der nächste entscheidende Prüfstein.

Die Aluminium-Anode ist nicht der einzige Fraunhofer-Ansatz, an dem gerade gearbeitet wird. Erst im September hatte das Fraunhofer ISE eine Zellarchitektur mit deutlich dickeren Elektroden vorgestellt, die durch weniger Stromableiter-Anteil die Energiedichte um zehn bis 15 Prozent steigern soll, je nach Batterietyp und Auslegung. Auch dieser Ansatz steckt noch im Forschungsstadium und muss seine industrielle Skalierbarkeit erst zeigen.