Wie entwickeln sich Formate für Lithium-Ionen-Batteriezellen weiter? Fraunhofer-Forschende haben die wichtigsten Trends zu Batteriechemie, Zellformaten, Zellproduktion und Sicherheit untersucht.
Lithium-Ionen-Batterien: a Knopfzelle, b Flachzelle, c Zylinderzelle, d prismatische Zelle. Abb. 3.9. aus Lithiumionen-Batterien. Elektrochemische Speicher, Seite 225
Springer
Batteriezellen sind es in verschiedenen Formaten verfügbar – am weitesten verbreitet sind sie in prismatischer, zylindrischer und flacher Ausführung (engl. pouch cell, coffee-bag oder softpack), wie Springer-Autor Peter Kurzweil im Kapitel Lithiumionen-Batterien (Seite 225) des Buchs Elektrochemische Speicher erklärt. Die Auswahl des Formats wirkt sich teilweise deutlich auf die Eigenschaften der Batterie aus, so Fraunhofer-Forschende, die sich mit der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterie-Zellformaten beschäftigen. "Oft spielen noch vor mehreren Jahren getroffene Entscheidungen zum Format oder bestehende Lieferbeziehungen zwischen Anwendern und Produzenten die dominierende Rolle bei der Auswahl", erklären die Wissenschaftler.
Für viele Anwendungen vollzieht sich gerade ein Paradigmenwechsel: "Statt das Anwendungsdesign auf die Batterie anzupassen, wird das Batteriedesign auf die Anwendung angepasst", so die Fraunhofer-Forschenden. Das wohl bekannteste Beispiel ist das Cell-to-pack-Konzept, das Batteriezellen im Fahrzeug integriert, ohne diese in Modulen zu konfektionieren. Alle drei Zellformate besitzen noch großes Entwicklungspotenzial. Dies beginnt bei der Auswahl von Materialien, dem Design des Elektroden- und Zellaufbaus, der Zellproduktion und reicht bis zur Zellintegration. In der Studie "Development perspectives for lithium-ion battery cell formats" analysieren die Fraunhofer-Institute ICT, IPA, ISI und die Fraunhofer-Einrichtung FFB genau diese Aspekte von Batteriezellen.
Entwicklungsperspektiven für Zellformate
Neue Materialien
Neue Materialien, sowohl auf der Kathoden- als auch auf der Anodenseite, sollen laut der Fraunhofer-Studie auch weiterhin eine wichtige Rolle bei der Steigerung der Zellleistung oder bei der weiteren Senkung der Zellkosten spielen. Die Pläne vieler Hersteller würden den Einsatz von Oxidmaterialien auf Nickelbasis (Ni) vorsehen. Gleichzeitig rechnen die Wissenschaftler damit, dass sich Materialien auf Eisen- (Fe) und Manganbasis (Mn) weiter verbreiten und erhebliche Kostenvorteile ermöglichen werden. Auch Silizium soll als Anodenmaterial immer wichtiger werden.
Mit Rohstoffen für Traktionsbatterien befasst sich auch APL im Artikel Reichweite, Sicherheit, Lebensdauer – Batterierohstoffe und ihre technische Relevanz (Seite 21) aus der ATZelektronik 12-2022. Die Forschende kommen zum Schluss: Innerhalb der Li-Ion-Technologie sei das Kathodenmaterial Lithium-Eisenphosphat (LFP) herausragend hinsichtlich politischer, ethischer und ökonomischer Aspekte, könne performanceseitig aber nicht mit Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden (NMC) und Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxiden (NCA) mithalten. "Daher zeichnet sich eine Mehr-Wege-Strategie ab: LFP soll seinen Einsatz vermehrt im niedrigpreisigen Fahrzeugsegment finden, im Premium- und High-Performance-Segment wird weiter auf NMC gesetzt", so APL. Dieses soll APL zufolge in sich aber weiterentwickelt werden, um Kobaltanteile zu reduzieren und kostenattraktiver zu werden. Auch der Einsatz manganreicherer Kathoden sei angedacht und könnte einen guten Kompromiss im Volumensegment bieten.
Elektrodenstapel
Die Fortschritte im Materialdesign sollen laut der Fraunhofer-Studie auch zu Veränderungen auf der Elektrodenebene führen. So sei in den nächsten fünf bis zehn Jahren eine Erhöhung der Elektrodenbeschichtung auf deutlich über 100 µm zu erwarten. "Durch den Einsatz von Elektrodenstapeln werden im Vergleich zum Wickeln die so erzielten Gewinne bei der Energiedichte noch stärker auf die Zellebene übertragen werden können. Insbesondere bei großformatigen Zellen wird sich dies auch auf die thermische und elektrische Ankopplung auswirken", heißt es. Gerade im Automobilbereich betreffe dies zum Beispiel Pouch-Zellen bis zu 500 mm und prismatische Zellen bis zu 1.000 mm Länge.
Energiedichte
Die Fraunhofer-Studie geht davon aus, dass dank dieser technischen Verbesserungen auf Material- und Zellebene bis 2025 Spitzenenergiedichten von bis zu 850 Wh/l und bis 2030 von bis zu 950 Wh/l mit herkömmlichen Technologien auf Flüssigelektrolytbasis möglich werden könnten. Obwohl sich die Energiedichten der drei wichtigsten Zellformate weiter annähern sollen, sei davon auszugehen, dass Pouch-Zellen weiterhin an der Spitze stehen werden.
Sicherheit
Erhöht sich die Energiedichte, steigt auch das Gefahrenpotenzial - insbesondere bei großen Zellformaten. Die Unterscheidung zwischen Pouch-Typ, prismatischem Hard-Case und zylindrischem Format spiele für die Systemsicherheit jedoch nur eine untergeordnete Rolle, so die Fraunhofer-Studie. Entscheidend seien die Zellchemie, die Zellstruktur (zum Beispiel Elektrodenpackung, Gaskanäle), die Integration des Batteriepacks und bestimmte Hard- oder Software-seitige Sicherheitsmerkmale.
Produktion
Die Fraunhofer-Forschenden erwarten auch bei der Produktion von Batteriezellen einige technologische Neuerungen, die Kosten senken, die Fertigungsqualität steigern und sich auch günstig auf den ökologischen Fußabdruck der Batterien auswirken sollen.
Diese beträfen zum einen die Nutzung digitaler Methoden bei der Skalierung und Prozesssteuerung. So bietet in der Batteriezellfertigung zum Beispiel der digitale Zwilling vielfältige Optimierungsmöglichkeiten – speziell im Bereich der Produktqualität sowie der Prozessoptimierung, wie Springer-Autoren um Jonathan Krauß im Artikel Rückverfolgbarkeit und Digitalisierung in der Batteriezellfertigung (Seite 22) aus der Zeitschrift maschinenbau 3-2022 erläutern.
Zum anderen sei die Einführung vollkommen neuer Prozesse wie zum Beispiel der Trockenbeschichtung oder hocheffizienter Formierungstechnologien zu erwarten. Um zum Beispiel Batterieelektroden umweltfreundlicher, preiswerter und mit weniger Energieeinsatz als bisher herstellen zu können, haben Forschende am Fraunhofer IWS das Trockenbeschichtungsverfahren Drytraec entwickelt. Diese Technologie verzichtet auf Lösungsmittel und soll den Energie- und Flächenverbrauch von Batteriefabriken senken können.