Leistungsfähige Akkus für morgen

Verschiedene Zellformate hergestellt. Fertigungsanlage am Institut liefert wichtige Informationen für die Produktfähigkeit neuer Batteriematerialien.

Die Marktchancen von Elektroautos und stationären Batteriespeichern sind abhängig von einer hohen Qualität der Stromspeicher. Dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) ist jüngst ein großer Fortschritt auf der Suche nach leistungsfähigeren Batteriematerialien gelungen.

Wissenschaftler am Ulmer Standort haben mit Partnern zwei neue Aktivmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, neues 5-Volt-Lithiummetallphosphat und mesoporöses Titanoxid. Mit den Werkstoffen wurden in Kombination mit konventionellen Elektroden bereits erfolgreich Zellen hergestellt. Die Materialien zeigen eine sehr gute Energiedichte, eine höhere Sicherheit und sind äußerst belastbar. Die Akkus wurden mit der Zellfertigungslinie des Forschungsinstituts produziert. Auf dieser Anlage können die Forscher die industrieüblichen Formate 18650- und Pouch-Zellen herstellen.

Auf der Messe Achema in Frankfurt am Main vom 18. bis 22. Juni stellt das ZSW in der Halle 9.2 am Stand E52 Ergebnisse seiner Batterieforschung und -entwicklung vor.

Das 5-Volt-Lithium-Mangan-Phosphat wird für positive Elektroden verwendet. Das Material zeigt eine sehr gute Energiedichte. Im Vergleich zu Standardmaterialien weist es eine höhere Sicherheit auf. Bei Überladung hat es sich als besonders resistent erwiesen. Das Lithiummetallphosphat wurde mit Industriepartnern entwickelt. Erstmals kann mehr als ein Elektron pro Übergangsmetall ausgenutzt werden. Das eröffnet eine bessere Speicherkapazität und eine hohe Zellspannung.

Für die negative Seite nutzen die Forscher mesoporöses Titanoxid. Das Material hat eine schnelle Ladefähigkeit und eine hohe Belastbarkeit auch bei tiefen Temperaturen von bis zu minus 40 Grad. Außerdem ist das Metalloxid leicht verfügbar, nicht toxisch und relativ preiswert zu produzieren. Das Titanoxid ist aus einer Kooperation mit der Universität Ulm hervorgegangen.

Um die Leistungsfähigkeit und Qualität neuer Materialien und Materialkombinationen vollständig bewerten zu können, müssen sie in Referenzzellen erprobt werden.

„Wir wollen das Potenzial neuer Batteriematerialien für die Anwendung so früh wie möglich einschätzen. Dafür testen wir sie im kompletten Zellverbund mit all den unvorhergesehenen Wechselwirkungen“, sagt Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens, Leiterin des ZSW-Fachbereichs Akkumulatoren Materialentwicklung in Ulm. „Die ersten Zellen haben wir bereits mit den neuen Materialien hergestellt. Diese Materialien stehen den Material- und Batterieherstellern für die Entwicklung kommerzieller Produkte zur Verfügung.“

Zur Herstellung der Batterien mit neuen Materialkombinationen nutzt das ZSW eine komplette Zellfertigungslinie. Partner aus der Branche können im ZSW Labor für Batterietechnologie (eLaB) ihre Materialien evaluieren und Know-how zu Fertigungstechnologien entwickeln, ohne ihre eigenen Anlagen für die Neuentwicklungen anhalten zu müssen. Ziel ist, mit den Dienstleistungen am ZSW eine eigene Batterieindustrie mit Zulieferinfrastruktur und entsprechender Wertschöpfung in Deutschland aufzubauen.

Die Entwicklung der Materialien wurde im Rahmen von Projekten der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) finanziell gefördert.

Das ZSW gehört zu den führenden angewandten Forschungsinstituten auf den Gebieten Photovoltaik, regenerative Kraftstoffe, Batterietechnik und Brennstoffzellen sowie Energiesystemanalyse. Am Standort Ulm betreibt das Institut das europaweit größte Entwicklungs- und Testzentrum für Hochleistungsbatterien und Brennstoffzellen. Seit 20 Jahren entwickeln die ZSW-Forscher mit Mittelstand und Industrie mobile und stationäre Systeme. An den drei ZSW-Standorten Stuttgart, Ulm und Widderstall sind derzeit über 200 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker beschäftigt.

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