KOBIBATT: Neuartige vollverschweißte Bipolarbatterie

Die Hauptzielsetzung des Vorhabens »KOBIBATT« ist die Entwicklung eines Batteriesystems mit höherer Energiedichte und größerer Sicherheit bei geringeren Kosten. In der Batterieforschung werden diese Ziele bislang als gegenläufig und unvereinbar gesehen. »KOBIBATT« adressiert erstmalig alle drei Ziele zugleich. Die zentralen Herausforderungen dabei sind: (1) die Entwicklung einer neuartigen und vollverschweißten Bipolarbatterie auf Polymerbasis, (2) die Erforschung eines konstruktiven Designs, (3) die Erarbeitung von dafür benötigten kosten- und ressourceneffektiven Rolle-zu-Rolle-Fertigungs- und Fügeverfahren. Das Design für die Bipolarbatterie wird anhand einer Lithium-Ionen-Bipolarbatterie mit hoher Energiedichte für mobile Anwendungen und einer Nickel-Eisen-Bipolarbatterie mit hoher Lebensdauer und Zyklenfestigkeit für stationäre Anwendungen entwickelt und demonstriert.

Herausforderungen

Die technischen Herausforderungen des Vorhabens bestehen in der Entwicklung von elektrochemisch stabilen, ressourcenschonenden und kostengünstigen Bipolarelektroden sowie deren Assemblierung zu perfekt dichten Batteriestacks. Der neuartige Projektansatz, den die beteiligten Forscher verfolgen, hat das Ziel, verschweißbare, hochleitfähige polymerbasierte Bipolarfolien zu erarbeiten, die mit polymeren Festkörper-Elektrolyten und Kompositelektroden in einem Prozess hergestellt und zu einer Gesamtbatterie verschweißt werden.

Der Aufbau und Fertigungsprozess aktueller Batteriesysteme ist sehr komplex. Für ein Batteriesystem müssen bisher viele Einzelzellen mit geringer Leistung miteinander verschaltet werden, was wegen der Vielzahl an inaktiven Hüll-Komponenten zu einer geringen Energiedichte führt. Ein hoher Materialverbrauch und ein schwer automatisierbares Einzelzellassembling (Zusammenbau der verschiedenen Komponenten) sind weitere Nachteile gegenwärtiger Batteriesysteme. Um die Energiedichte weiter zu erhöhen, müssten erheblich größere Einzelzellen eingesetzt werden, die jedoch durch die hohe Strombelastung das Risiko von Hot-Spot-Bildungen an Verbindern und Ableitern und damit die Brandgefahr erhöhen.

Der Bipolar-Batterie-Aufbau vermeidet diese Probleme vollständig: Das im Projekt zu entwickelnde Batteriesystem besteht aus nur einem Batteriestack, der sich komplett automatisierbar fertigen lässt. Gleichzeitig ist die flächenbezogene Strombelastung viel geringer und gleichmäßiger, was längere Standzeiten ermöglicht.

Platzsparend, skalierbar und dichtungsfrei

Bei dem zu entwickelnden bipolaren Batterieaufbau werden an beiden Seiten der Bipolarfolie, Anode und Kathode, Folgezellen aufgebracht, so dass die Folie zugleich die mechanische Trennung und die elektrische Verbindung der Zellen im Stapel bildet. Der Aufbau verzichtet auf separat eingehauste Einzelzellen und benötigt weder Einzel-Stromableiter noch elektrische Zellverbindungen. Durch den bipolaren Aufbau ist die Zellgröße beliebig skalierbar. Dieser neue Ansatz erhöht deutlich die Energiedichte im Batteriesystem und vermeidet durch die Senkung des Zellinnenwiderstandes die Bildung von Hot-Spots und damit das Risiko eines Brandes.

Da die Produktion in kostengünstigen vollautomatisierten Rolle-zu-Rolle-Verfahren mit weniger Materialaufwand möglich ist, können bei der Herstellung Kosten und Ressourcen eingespart werden. Die Bipolarbatterie wird vollverschweißt, so dass auf Dichtungen komplett verzichtet werden kann. Als Basismaterial dient ein thermoplastisches System, das einen polymerbasierten Batterieaufbau bzw. eine Vollkunststoffbatterie ermöglicht.

Mobile und stationäre Anwendungen

Mit dem Projekt der vollverschweißten Bipolarbatterie entwickelt das Fraunhofer-Konsortium im Projekt »KOBIBATT« einen neuartigen Batterieaufbau, der sich auf praktisch alle Batterie-Chemien übertragen lässt. Der technologische Qualitätssprung zielt auf die Marktbedürfnisse nach höherer Energiedichte bei größerer Sicherheit und gleichzeitig geringeren Kosten.

Die Fraunhofer-Wissenschaftler*innen erarbeiten und demonstrieren auf Basis des bipolaren Batteriekonzeptes Lithium-Ionen-Batterien für die mobile Anwendung und Nickel-Eisen-Batterien für die stationäre Anwendung. Mobilitätsbatterien werden im Fahrzeug-, Flugzeug- und Schiffbau eingesetzt.

Große Nachfrage an stationären Bipolarbatterien besteht vor allem bei Energieversorgern, die aufgrund schwankender Einspeisung aus den erneuerbaren Energieträgern vermehrt Großspeicher einsetzen, um die Netzstabilität gewährleisten zu können.

• Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
• Fraunhofer IVV, Außenstelle für Verarbeitungsmaschinen und Verpackungstechnik IVV
• Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
• Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP