StrOboBatt – Struktur- und oberflächenoptimierte Silizium-Anoden und Hochenergie-Kathoden für energiedichte Lithium-Ionen-Batterien

Im Zuge des Ausbaus von erneuerbaren Stromquellen wird der Bedarf an stationären Speichern erheblich zunehmen, um die steigende Volatilität in der Stromerzeugung durch den fortwährenden Zubau von regenerativen Energiequellen wie Photovoltaik- und Windkraftanlagen zu minimieren. Dafür bedarf es einer weiteren Steigerung der Attraktivität von elektrochemischen Energiespeichern. Die größten Kritikpunkte sind dabei immer noch die (zu) hohen Anschaffungskosten, insbesondere verursacht durch die hohen Kosten der Batteriezellen sowie die Nachhaltigkeit der Batterien hinsichtlich kritischer Rohstoffe. 

Alle genannten Aspekte sollen im Vorhaben »StrOboBatt« adressiert werden. Die Aktivmaterialien selbst stehen dabei im Fokus. Ebenso soll die globale Abhängigkeit von bestimmten Rohstoffen durch die genutzten Materialien minimiert und die Nachhaltigkeit der Batteriezellen verbessert werden.

Das übergeordnete Ziel in »StrOboBatt« besteht darin, durch Strukturoptimierungen und Oberflächenveredelungen die Energiedichte und Nachhaltigkeit von Batterien zu verbessern und gleichzeitig die Produktionskosten zu senken. Der neue und innovative Forschungsstandort für Batterien und Speichersysteme des Fraunhofer ISE in Freiburg bietet für alle Projektpartner ein hochmodernes Entwicklungsumfeld und eine fortschrittliche Infrastruktur inklusive zweier Trockenräume.

In Mobilitätsanwendungen eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien werden bisher kathodenseitig meist nickelreiche Übergangsmetalloxide eingesetzt, die eine hohe spezifische Energiedichte besitzen. Für stationäre Batteriespeicher werden überwiegend Kathodenmaterialien mit Olivinstruktur (wie z.B. Lithium-Eisenphosphat: kurz: LFP) eingesetzt, die im Vergleich zu den Übergangsmetalloxiden wesentlich geringere Rohmaterialpreise, eine bessere Zyklenstabilität aufweisen und kostengünstiger hergestellt werden können. Anodenseitig wird weitestgehend das Aktivmaterial Grafit verwendet, welches eine gute elektrochemische Stabilität und niedrige Kosten aufweist. Silizium besitzt im Vergleich zu Grafit eine um den Faktor zehn höhere theoretische spezifische Kapazität und kann in strukturoptimierten Silizium-Kohlenstoff-Kompositen eingesetzt werden. Die Energiedichte des Anodenaktivmaterials lässt sich dadurch deutlich erhöhen, wodurch die globale Rohstoffabhängigkeit von Grafit reduziert werden könnte. Die Wertschöpfung, vor allem in der Rohstoffgewinnung, ließe sich damit in Richtung EU verlagern.