Maßgeschneiderte Lithium-Metall-Anoden für zukünftige Batteriesysteme

Die Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen ist eines der großen Ziele der aktuellen Batterieforschung. Durch den begrenzten Bauraum im Fahrzeug wird die elektrische Reichweite maßgeblich durch die volumetrische Energiedichte der Batteriezellen bestimmt.

Lithium-Metall-Anoden bilden die Basis für alle lithium-basierten Batteriekonzepte, einen weiteren Sprung in der gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte gegenüber heutigen Lithium-Ionen-Batteriezellen zu erreichen. Wichtige Voraussetzungen für den Erfolg dieser Technologie ist die Entwicklung maßgeschneiderter Lithiumanoden.

Die Herausforderungen bestehen in der Entwicklung neuer Konzepte zur Herstellung dünner Lithiumanoden auf dünnen Substratfolien und maßgeschneiderter Schutzschichten, welche einen optimalen Kontakt zum jeweiligen Elektrolytsystem und eine hohe Zyklenstabilität der Anode ermöglichen.

Ziel des Vorhabens ist es daher, neue Technologien zur Optimierung der volumetrischen Energiedichte von Lithium-Schwefel-Batterien durch Optimierung der Lithium-Metall-Anode zu erreichen. Als finales Ziel soll eine Zelle mit einer Energiedichte von >500 Wh/L demonstriert werden.

Ein interdisziplinäres Konsortium aus deutschen Forschungseinrichtungen und Unternehmen entwickelt generische Konzepte und Komponenten, welche auch in anderen Zelltechnologien Anwendung finden können. Dabei ist es die Aufgabe der hpulcas GmbH (HPU), Verfahren zur Herstellung 4 µm dünner Nickelfolien zu entwickeln. Das Fraunhofer IWS entwickelt ein Verfahren zur Abscheidung dünner Lithiumanoden mittels Schmelzverfahren und entwickelt volumenoptimierte Lithium-Schwefel-Prototypzellen. Die Entwicklung von Schutzschichten für dünne Lithiumanoden steht im Fokus der Arbeiten der Justus-Liebig-Universität (JLU), wohingegen SGS Germany (SGS) die Bewertung der Zellen sowie derer Sicherheit vornimmt.

Die im Projekt MaLiBa gewonnenen Ergebnisse sind neben Lithium-Schwefel-Zellen auch für weitere zukünftige Zellkonzepte, wie Festkörperbatterien, Lithium-Ionen-Batterien mit metallischer Anode, sowie Lithium-Luft-Batterien relevant. Auf diese Weise liefert das Projekt Grundlagen für eine Vielzahl von Beiträgen zur aktuellen Batterieforschung in Deutschland.

Einige für eine Kommerzialisierung der zukünftigen Batteriesysteme erforderlichen technologischen Fragestellungen werden im Projekt adressiert und können im Anschluss an das Projekt mit Zellherstellern unter produktionstechnischen Aspekten weiterentwickelt werden.