Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI
Wie entwickeln sich Formate für Lithium-Ionen-Batteriezellen weiter?
Die Fraunhofer-Institute ICT, IPA, ISI und die Fraunhofer-Einrichtung FFB haben eine Studie zur Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterie-Zellformaten vorgelegt. Darin werden die wichtigsten Trends zu Batterie-Chemie, Zellformaten, Zellproduktion und Sicherheit betrachtet und den Anforderungen verschiedener Batterieanwendungen gegenübergestellt. Besonderes Augenmerk liegt auf den Ankündigungen der Automobilhersteller, z.B. zu großformatigen Zellen.
Die im Kontext des »FoFeBat«-Projektes entstandene Studie stellt ein Update der 2017 erschienenen Fraunhofer-Studie »Entwicklungsperspektiven für Zellformate von Lithium-Ionen-Batterien in der Elektromobilität« dar.
Batteriezellen gibt es in verschiedenen Formaten – am weitesten verbreitet sind prismatische, zylindrische und sogenannte Pouch-Zellen. Nach wie vor finden sich alle drei Zellformate in fast allen Batterieanwendungen von Elektroautos über stationäre Anwendungen bis hin zur Elektronik. Das perfekte Format für die jeweilige Anwendung scheint noch nicht gefunden zu sein, obwohl sich die Auswahl des Formats teilweise deutlich auf die Eigenschaften der Batterie auswirkt. Oft spielen noch vor mehreren Jahren getroffene Entscheidungen zum Format oder bestehende Lieferbeziehungen zwischen Anwender:innen und Produzent:innen die dominierende Rolle bei der Auswahl.
Mit voranschreitender Etablierung der Lithium-Ionen-Batterie als dem Energiespeicher der Zukunft könnte sich das aber ändern. So vollzieht sich für viele Anwendungen gerade ein Paradigmenwechsel: Statt das Anwendungsdesign auf die Batterie anzupassen, wird das Batteriedesign auf die Anwendung angepasst. Das vermutlich prominenteste Beispiel ist das »cell to pack«-Konzept, welches die Integration von Batteriezellen im Fahrzeug vorsieht, ohne diese in Modulen konfektionieren zu müssen.
Alle drei Zellformate besitzen noch großes Entwicklungspotenzial. Dies beginnt bei der Auswahl von Materialien, dem Design des Elektroden- und Zellaufbaus, der Zellproduktion und geht bis hin zur Zellintegration. Die Studie »Development perspectives for lithium-ion battery cell formats« greift genau diese Aspekte von Batteriezellen auf, beschreibt den Status Quo und stellt Möglichkeiten der Weiterentwicklung dar.
Kostenvorteile durch neue Materialien und Elektrodenstapel
Neue Materialien, sowohl auf der Kathoden- als auch auf der Anodenseite, werden auch weiterhin eine wichtige Rolle bei der Steigerung der Zellleistung oder bei der weiteren Senkung der Zellkosten spielen. Die Pläne vieler Hersteller sehen den Einsatz von Oxidmaterialien auf Nickelbasis (Ni) vor. Gleichzeitig dürften sich Materialien auf Eisen- (Fe) und Manganbasis (Mn) weiter verbreiten und erhebliche Kostenvorteile ermöglichen. Auch Silizium wird als Anodenmaterial eine immer größere Rolle spielen.
Die Fortschritte im Materialdesign werden auch zu Veränderungen auf der Elektrodenebene führen. So ist 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. Gerade im Automobilbereich betrifft dies z.B. Pouch-Zellen bis zu 500 mm und prismatische Zellen bis zu 1000 mm Länge.
Dank dieser technischen Verbesserungen auf Material- und Zellebene könnten 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. Obwohl sich die Energiedichten der drei wichtigsten Zellformate weiter annähern werden, ist davon auszugehen, dass Pouch-Zellen weiterhin an der Spitze stehen werden.
Mit der Erhöhung der Energiedichte steigt auch das Gefahrenpotenzial, insbesondere bei großen Zellformaten. Die Unterscheidung zwischen Pouch-Typ, prismatischem Hard-Case und zylindrischem Format spielt für die Systemsicherheit jedoch nur eine untergeordnete Rolle. Entscheidend sind die Zellchemie, die Zellstruktur (z.B. Elektrodenpackung, Gaskanäle), die Integration des Batteriepacks und bestimmte Hard- oder Software-seitige Sicherheitsmerkmale.
Auch bei der Produktion von Batteriezellen sind einige technologische Neuerungen zu erwarten. Diese betreffen die Nutzung digitaler Methoden bei der Skalierung und Prozesssteuerung, aber auch die Einführung vollkommen neuer Prozesse wie z.B. der Trockenbeschichtung oder hocheffizienter Formierungstechnologien. Diese Innovationen können nicht nur Kosten senken und die Fertigungsqualität steigern, sondern werden sich auch günstig auf den ökologischen Fußabdruck der Batterien auswirken – ein Parameter, der in der Zukunft noch weiter an Bedeutung gewinnen wird.
Das Projekt »FoFeBat« und der Beitrag von Fraunhofer zur Batterieforschung
Die Studie wurde im Rahmen des durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF geförderten Projekts »FoFeBat« erstellt. Ziel des Projekts ist der Aufbau der Forschungsfertigung Batteriezelle FFB in Münster, einer Fraunhofer-Einrichtung, die Forschung und Entwicklung der Batteriezellproduktion bis in den GWh-Maßstab ermöglichen wird. Die Fraunhofer FFB wird insbesondere Technologien hoher Reife aufgreifen und bis zur industriellen Anwendbarkeit skalieren.
Die gemeinsam von den Fraunhofer-Einrichtungen und -Instituten FFB, ICT, IPA und ISI angefertigte Studie gibt damit nicht nur Einblick in Trends und Herausforderungen zu Zellformaten, sondern benennt gleichzeitig wichtige FuE-Themen, die von der Fraunhofer-Gesellschaft im Batteriebereich bearbeitet werden. Die Ergebnisse der Studie, insbesondere der Blick auf Entwicklungen in der Industrie, sollen für die weitere Ausrichtung der Fraunhofer FFB genutzt werden und unterstützen das entstehende und auf die Batterieindustrie in Deutschland und Europa ausgerichtete Angebot.