Energiespeicher Lithium-Metall-Anoden powern Batterien auf

Das Team um Dr. Holger Althues vom Fraunhofer IWS verbessert mit seinem Know-how die spezifische Energiedichte in Batterien. Diese wird dadurch deutlich höher als bei den bisher stärksten Lithium-Ionen-Batterien.

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Fraunhofer IWS Dresden

Lithium-Metall-Anoden gelten als Schlüsselelement für die Batteriesysteme der Zukunft. Sie ermöglichen die Maximierung der Energiedichte sowohl in Bezug auf das Zellvolumen als auch auf die Masse, erklären die Dresdener Experten. Die Lithium-Metall-Anode wird bereits in Lithium-Schwefel-Zellen eingesetzt, um Rekordwerte in der spezifischen Energie von mehr als 400 Wh/kg zu erreichen. Die besten Lithium-Ionen-Batteriezellen erreichen momentan nur 250 Wh/kg, betonen die Forscher. Darüber hinaus könnten Festkörperbatterien die volumetrische Energiedichte heutiger Lithium-Ionen-Batterien mithilfe der Lithium-Metall-Anode um über 70 % übertreffen.

Bestehende Grenzen bei der Lithiumfolienherstellung

Zu den üblichen Produktionsmethoden für die dazu benötigten Lithiumfolien zählen Walzverfahren. Das aber, birgt gewisse Schwierigkeiten, die darin bestehen, dass sich großflächige Schichten unter 50 Mikrometer Dicke walztechnisch nur sehr aufwendig herstellen lassen, sagen die Forscher. Die erreichbare Qualität sei zudem begrenzt, weil Hilfsstoffe die Oberfläche chemisch verunreinigen. Folglich lassen sich Lithiumfolien nicht mit den für Batterieanwendungen notwendigen Qualitätsanforderungen im industriellen Maßstab produzieren.

Heikle Anwendung von Lithiumanoden

Hinzu kommt, dass Produktionsverfahren für hochwertige und dünne Lithiumschichten noch nicht kommerziell verfügbar sind und die Grenzfläche von Lithium zu anderen Zellkomponenten hochreaktiv ist, merken die IWS-Spezialisten an. Das wiederum erfordere ein Interface-Engineering, um einen stabilen und sicheren Einsatz der Lithiumanoden zu ermöglichen.

So klappt's mit dünnen Lithiumschichten

Das Fraunhofer IWS arbeitet bereits seit einigen Jahren an einem Beschichtungsprozess, der es erlaubt, Lithiumschichten weniger Mikrometer Dicke zu erzeugen. Die wichtigste Innovation liegt in einer lithiophilen Oberfläche, die eine kostengünstige und homogene Abscheidung dünner Schichten aus geschmolzenem Lithium auf metallischen Substraten ermöglicht. »Wir sind in der Lage, dünne Nickel- und Kupferfolien so zu behandeln, dass eine Beschichtung aus der flüssigen Phase bzw. aus der Schmelze des Lithiums möglich wird«, erläutert Holger Althues, Abteilungsleiter Chemische Oberflächen- und Batterietechnik am IWS.

Alles hängt von der Beschichtbarkeit ab

Weil sich Kugeln ausbilden würden, wenn flüssiges Lithium auf eine unbehandelte Kupfer- oder Nickelfolie appliziert werde, gelinge es nicht, die Folienoberfläche mit Lithium zu benetzen. „Dies ist jedoch unbedingt notwendig, um eine Beschichtung zu erzeugen. Das schaffen wir mit einer lithiophilen Substratoberfläche“, erklärt Althues.

Die günstige Rolle-zu-Rolle-Alternative

Weitere Vorteile lägen darin, dass sich die entwickelte IWS-Technologie besonders günstig realisieren und bereits im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf industrielle Maßstäbe hochskalieren ließe. Modifizierungen der Lithiumoberfläche sollen diesen Beschichtungsprozess in dem Vorhaben „MaLiBa“ erweitern. Das Projektteam unter Koordination des IWS will so das Handling und die Stabilität sowie die Sicherheit der Lithiumanoden für den Einsatz in Batteriezellen entscheidend verbessern.

Maßgeschneiderte Anoden gibt es bereits

Ergänzt werden diese Arbeiten durch die Entwicklung eines Laserschneidprozesses innerhalb des Projekts „LiMeCut“, der eine flexible Konfektionierung von Lithium-Anoden ermöglichen wird. So ergibt sich ein Werkzeugkasten für die Anpassung von Anoden an kundenspezifische Zellsysteme und -formate. Wir sehen einen wachsenden Bedarf in der Entwicklung von Lithium-Metall-Batterien, erklärt der Batterieforscher Althues, und ergänzt: „Bereits heute können wir viele Anforderungen bedienen, indem wir maßgeschneiderte Anoden herstellen“.

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Mehr zu den Projekten „MaLiBA“ und „LiMeCut“

In dem Verbundprojekt Maßgeschneiderte Metall-Anoden für zukünftige Batteriesysteme (»MaLiBa«) entwickelt das Fraunhofer IWS in Zusammenarbeit mit der Justus-Liebig-Universität Gießen, der hpulcas und der Prüfgesellschaft SGS maßgeschneiderte und oberflächenmodifizierte Lithium-Anoden für Batterien der Zukunft, während das Projekt »LiMeCut« (gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des eurostars-Programms unter der Förderkennziffer 01QE1837) in Zusammenarbeit mit OxisEnergy und ULT auf die Entwicklung einer flexiblen Laserprozesstechnologie zum Schneiden von Lithiumanoden abzielt. Erste Projektergebnisse werden im Rahmen der Konferenz »Lithium-Metal-Anodes« im November in Dresden im Rahmen eines ganztägigen Programms mit Beiträgen internationaler Experten aus Wissenschaft und Industrie vorgestellt.MM

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