Konsortium startet Entwicklung von Hochleistungsbatterien

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Neuartige Schaumelektroden mit einem Faltdesign für Superkondensatoren
Quelle: Fraunhofer IFAM

Über die nächsten drei Jahre werden zehn Partner aus Wissenschaft und Industrie vom Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) für die Entwicklung von Hochleistungsakkus auf Basis dreidimensionaler Stromableiter gefördert. Wie die am Projekt beteiligte Fraunhofer-Gesellschaft  mitteilte, werden im Rahmen des Forschungsvorhabens unter Verwendung bekannter Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Akkus neuartige Elektrodenstrukturen designt. Die unterschiedlichen Zelltypen seien nicht nur für den Einsatz in mobilen Anwendungen mit hoher Leistungsanforderung prädestiniert, sondern erfüllen auch den Anspruch zum Aufbau langlebiger und sicherer stationärer Speicher mit der Fähigkeit zur Pufferung von Lastspitzen.

Hintergrund ist, dass für die Mobilitätswende mit höchster Intensität nach Hochleistungsbatteriesystemen für die Elektromobilität gesucht wird Denn: Ein wesentlicher Schlüssel zum Erfolg dieser Technologien ist die breite und bezahlbare Verfügbarkeit von Akkus mit hoher Energie- und Leistungsdichte bei gleichzeitig wirtschaftlichem Fertigungs- und Wartungsaufwand. Zudem wird eine hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit über die gesamte Lebensdauer erwartet.

Entwicklung einer dreidimensionalen Elektrode unter Beibehaltung der offenporigen Struktur

Die Entwicklungsidee basiert auf einem strukturierten Stromableiter in Form eines offenporigen Metallschaums. Durch die Beschichtung der Schaumporen mit elektrochemisch aktiven Elektrodenmaterialien kann eine dreidimensionale Elektrode unter Beibehaltung der offenporigen Struktur realisiert werden, so die Forscher. Aufgrund der dadurch generierten sehr großen Kontaktfläche zwischen dem Schaum und dem Elektrodenmaterial werde eine effektive Diffusion von Lithium-Ionen bei gleichzeitiger exzellenter elektronischer Leitfähigkeit der Elektrode sichergestellt.

Forscher untersuchen Machbarkeit einer völlig neuartigen Bauweise für polymerbasierte Festkörperbatterien

Basierend auf diesen dreidimensionalen Elektrodenstrukturen soll des Weiteren die Machbarkeit einer völlig neuartigen Bauweise für polymerbasierte Festkörperbatterien untersucht werden. Dazu wird innerhalb der Porenstruktur eine Multi-Lagen-Beschichtung – bestehend aus den Batterieelektroden und dem Festkörperelektrolyt – aufgebracht. Die große innere Oberfläche des Schaums ermöglicht dabei die Realisierung einer wesentlich höheren Leistungsdichte im Vergleich zu Batterien, die im klassischen, zweidimensionalen Lagendesign aufgebaut sind. Zusätzlich wird hierbei erstmals der Einsatz eines Polymerelektrolyten erprobt, der durch seine besonderen Eigenschaften die Sicherheit der finalen Batteriezelle deutlich erhöht.

Aufbau ermöglicht nahezu beliebig wählbare äußere Formen

Der vorgestellte Aufbau ermöglicht zudem nahezu beliebig wählbare äußere Formen, wie zum Beispiel zylindrische, sphärische oder unregelmäßige Geometrien. Dadurch sind Einpassungen von Batteriezellen in jeden gegebenen Einbauraum denkbar.

An dem Projekt sind neben den Fraunhofer-Instituten IAP und IFMA auch die Alantum Europe GmbH, die enfas GmbH, die Fakultät MKTder Hochschule Osnabrück, die Jahnke GmbH, die se ma Gesellschaft für Innovationen mbH, die Smart Battery Solutions GmbH und die Varta Microbattery GmbH beteiligt.

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