Die Realisation des „eigentlich nicht Möglichen“ gelingt am Fraunhofer ISIT. Hierzu greifen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beim Design einer Zelle auf eine breite Palette bewährter sowie völlig neuer Materialien zurück. Spezielle Elektrolytformulierungen sowie ein eigener Separator ergänzen die Möglichkeiten der Komposition.

„Ein Kunde trat, auf der Suche nach einer Lithium-Ionen Zelle, die es ihm ermöglichte, sehr hohe Ströme bei der Entladung der Batterie zu entnehmen, an die Batterieforscher des Fraunhofer ISITs heran. Ziel war eine Zelle, die bei 10C (d.h. die Zelle kann in 6 Minuten vollständig entladen werden) noch etwa 90% ihrer Nominalkapazität liefert. Eine nahezu klassische Aufgabe für ein ISIT-Zelldesign zumal auch bauseitig strikte Vorgaben für die Form der Zellen vorgegeben waren.“

Dieses Beispiel adressiert zunächst zwei Fragen:

1. Welche Zellchemie ist geeignet und
2. Wie müssen die Elektroden strukturiert sein.

Bei der Wahl der Zellchemie ist zu beachten, dass die eingesetzten Materialien schnell Lithium-Ionen als Ladungsträger austauschen können und über eine möglichst hohe spezifische Kapazität verfügen. Bei der Herstellung der Elektroden muss eine ausreichend hohe Porosität gewährleistet sein, um damit eine große aktive Oberfläche zum Austausch der Ladungsträger mit dem Elektrolyten zu ermöglichen (Ionischer Strom). Gleichzeitig muss aber auch genügend Material auf den Elektroden vorhanden sein, um eine zufriedenstellende Kapazität der Zelle zu erzielen. Leitadditive (z. B. Ruß) sorgen dafür, dass der umgesetzte elektrische Strom ohne nennenswerte ohmsche Verluste in der Zelle verwendet werden kann.

Bei der Optimierung der Elektrode geht es darum, die richtige chemische Zusammensetzung der Elektrode sowie ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Flächenbelegung, Verdichtungsgrad und Porosität zu finden. Weiterhin bestimmt die Wahl des Separators sowie des Elektrolyten die Leistungsfähigkeit der Zelle.

In Testzellen wird dann die Kombination von Zellchemie, Elektrodenmorphologie und den weiteren Zellkomponenten bezüglich ihres elektrochemischen Verhaltens untersucht und prinzipiell auf die vom Kunden gewünschte Performanz geprüft. Nach erfolgreicher Validierung wird die Zelle im Zielformat designt.

Bei der Entwicklung einer Zelle geht es immer um die beste Balance zwischen Energieinhalt, Leistung, Langlebigkeit, Sicherheit und Kosten mit Blick auf die Kundenanforderung. In Zukunft werden auch Lösungen für eine größere Nachhaltigkeit von Akkumulator-Zellen immer notwendiger. Der Verzicht auf problematischen Stoffen wie Cobalt-haltige Kathodenmaterialien oder der Ersatz von N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) als Prozesslösungsmittel bei der Elektrodenherstellung ist dabei ebenso Teil der gegenwärtigen Forschung am ISIT wie die Entwicklung neuer Konzepte zur Bestimmung des Alterungszustandes von gebrauchten Zellen. Die Verlängerung der Nutzungsdauer von Batterien aus der Elektromobilität durch deren Einsatz z. B. in der stationären Energiespeicherung liefert einen wesentlichen Beitrag, um die Energiewende ressourcenschonend zu gestalten.