Mehr als 1000 Ladezyklen und noch über 83 Prozent Restkapazität: Fraunhofer ISE hat siliziumreiche Batteriezellen mit einer Energiedichte von 280 Wh/kg getestet. Entscheidend für die Lebensdauer ist auch der mechanische Druck.
Fraunhofer ISE testet Batteriezellen mit siliziumreichen Anoden. Nach über 1000 Zyklen bleiben 83 Prozent der Kapazität erhalten.Fraunhofer ISE
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Forschende des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben im Projekt StrOboBatt Lithium-Ionen-Batteriezellen mit siliziumreichen Anoden entwickelt und erfolgreich über mehr als 1000 Vollzyklen getestet. Die selbst gefertigten Pouchzellen mit einer Kapazität von 25 Ah wiesen anschließend noch über 83 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität auf. Gleichzeitig erreichten sie eine gravimetrische Energiedichte von 280 Wh/kg auf Zellebene.
Die Ergebnisse sind insbesondere für Hochenergiebatterien in der Elektromobilität, der Luft- und Raumfahrt sowie für stationäre Energiespeicher relevant. Silizium bietet gegenüber Graphit eine deutlich höhere theoretische spezifische Kapazität. Allerdings begrenzt die bislang vergleichsweise geringe Zyklenlebensdauer siliziumreicher Anoden ihre industrielle Anwendung.
Die erzielte Energiedichte von 280 Wh/kg bezieht sich auf das vom Fraunhofer ISE entwickelte PrecISE-Forschungszellformat, das hinsichtlich seiner Energiedichte noch nicht optimiert wurde. Für ein industriell optimiertes Pouchzellformat erwarten die Forschenden einen Wert von etwa 330 Wh/kg.
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Wie sind die siliziumreichen Batteriezellen aufgebaut?
Im Forschungsprojekt StrOboBatt, das sich mit struktur- und oberflächenoptimierten Siliziumanoden sowie Hochenergiekathoden beschäftigt, fertigte das Team Mehrlagen-Pouchzellen mit jeweils 40 Lagen. Dabei kamen kommerziell verfügbare Elektrodenfolien mit einer Anode aus Silizium-Kohlenstoff-Komposit und Graphit sowie einer nickelreichen Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid-Kathode zum Einsatz.
Der Anteil des Silizium-Kohlenstoff-Komposits am aktiven Anodenmaterial betrug 51 Prozent. Die Anoden erreichten eine spezifische Kapazität von mehr als 1000 mAh/g und eine flächenspezifische Kapazität von über 5 mAh/cm².
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Silizium besitzt gegenüber Graphit eine etwa zehnfach höhere theoretische spezifische Kapazität. Der Einsatz strukturoptimierter Silizium-Kohlenstoff-Komposite könnte deshalb dazu beitragen, den Graphitbedarf und damit verbundene Rohstoffabhängigkeiten zu reduzieren. Zugleich eröffnet dies nach Einschätzung des Fraunhofer ISE Möglichkeiten, Teile der Wertschöpfung bei der Rohstoffgewinnung in die EU zu verlagern.
Die Herstellung der Zellen erfolgte auf einer halbautomatischen Fertigungslinie im Trockenraum des Zentrums für Elektrische Energiespeicher am Fraunhofer ISE. Die Pouchzellen dienen zugleich als Referenz für die Untersuchung neuer Batteriematerialien, Zellkonzepte und Betriebsbedingungen.
Einfluss des mechanischen Drucks auf die Lebensdauer
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Neben der Zyklenfestigkeit untersuchten die Forschenden, wie sich unterschiedliche mechanische Anpressdrücke auf das Alterungsverhalten der Batteriezellen auswirken. Dazu wurden die Pouchzellen bei axialen Drücken von 300 beziehungsweise 1000 kPa betrieben. Die Lade- und Entladevorgänge erfolgten jeweils innerhalb einer Stunde bei einer Stromrate von 1 C.
Silizium-Kohlenstoff-Komposit als Aktivmaterial zur Herstellung siliziumbasierter Anoden für Lithium-Ionen-Batterien im StrOboBatt-Projekt.Fraunhofer ISE
Ein äußerer Anpressdruck kann die Grenzflächenwiderstände innerhalb der Zelle verringern und die Ablösung von Elektrodenmaterialien voneinander sowie vom Substrat erschweren. Gerade bei siliziumhaltigen Anoden spielt dieser Effekt eine wichtige Rolle für die langfristige Stabilität.
Bei einem Anpressdruck von 1000 kPa behielten die Zellen nach mehr als 1000 Vollzyklen über 83 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität. Unter dem geringeren Druck von 300 kPa fiel der Rückgang der nutzbaren Kapazität insbesondere im Betrieb bei 1 C deutlich stärker aus.
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Regelmäßige Kontrollzyklen mit niedrigeren Stromraten ermöglichten den Forschenden außerdem, zwischen dem tatsächlichen Kapazitätsverlust und der unter höheren Belastungen verfügbaren Kapazität zu unterscheiden. Dabei zeigte sich mit zunehmender Alterung eine wachsende Differenz zwischen der bei niedriger Entladerate gemessenen Restkapazität und der im regulären Betrieb nutzbaren Kapazität.
Für die Bewertung siliziumreicher Batteriezellen ist damit neben dem Kapazitätserhalt auch die Leistungsfähigkeit unter anwendungsnahen Betriebsbedingungen relevant.
Fraunhofer ISE untersucht die gesamte Batteriezellfertigung
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Das Fraunhofer ISE verfügt über eine Infrastruktur, mit der sich neue Batteriematerialien von der Elektrodenherstellung bis zur elektrochemischen Charakterisierung großformatiger Pouchzellen untersuchen lassen. Dazu gehören das chargenweise Mischen der Elektrodenmaterialien, die Rolle-zu-Rolle-Beschichtung, der Zellaufbau sowie die Formierung und anschließende Charakterisierung.
Auf diese Weise können neue Materialkombinationen und Zellkonzepte entlang der gesamten Fertigungskette unter industrienahen Bedingungen bewertet werden.
Die Bedeutung der Ergebnisse erläutern die beteiligten Forscher. „Die Zyklenlebensdauer ist eine der zentralen Hürden für den breiten industriellen Einsatz siliziumreicher Anoden. Mehr als 1000 Zyklen bei einem Kapazitätserhalt von mindestens 80 Prozent gelten hier als wichtiges Performanceziel“, erklärt Dr. Lukas Dold, Teamleiter Batteriematerialtechnologie und Skalierung am Fraunhofer ISE. „Mit unseren Pouchzellen konnten wir dieses Ziel erreichen und gleichzeitig eine gravimetrische Energiedichte von 280 Wh/kg auf Zellebene im vom Fraunhofer ISE designten PrecISE-Forschungszellformat demonstrieren. In einem industriell optimierten Pouchzellformat ist eine gravimetrische Energiedichte von etwa 330 Wh/kg erwartbar.“
Alterungstest der siliziumreichen Hochenergie-PouchzellenFraunhofer ISE
Marc Kissling, Gruppenleiter für Batteriezellproduktion und Technologiebewertung am Fraunhofer ISE, ergänzt: „Der axiale Druck hat einen deutlichen Einfluss auf das Langzeitverhalten der Zellen. Bei einem Anpressdruck von 1000 kPa erreichen unsere Zellen auch nach mehr als 1000 Vollzyklen noch über 83 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität.“ Er betont: „Bei geringerem Anpressdruck von 300 kPa zeigt sich insbesondere im 1C-Betrieb eine deutlich stärkere Abnahme der nutzbaren Kapazität über die Zeit. Der mechanische Zelldruck ist damit ein wichtiger Parameter für den stabilen Betrieb siliziumreicher Pouchzellen.“
Auch die Fertigungsinfrastruktur ist laut Kissling ein wesentlicher Bestandteil der Untersuchungen: „Da wir die gesamte Prozesskette vom Mischen der Elektrodenmaterialien bis zur elektrochemischen Charakterisierung im Haus abbilden können, lassen sich neue Materialien und Zellkonzepte unter industrienahen Bedingungen über den gesamten Fertigungsweg hinweg validieren.“
