Aktuelle Hauptkritikpunkte an elektrochemischen Energiespeichern sind die zu hohen Anschaffungskosten, verursacht insbesondere durch die hohen Kosten der Batteriezellen sowie die mangelnde Nachhaltigkeit durch Verwendung kritischer Rohstoffe.

Diese Aspekte sollen im Vorhaben »StrOboBatt - Struktur- und oberflächenoptimierte Silizium-Anoden und Hochenergie-Kathoden für energiedichte Lithium-Ionen-Batterien« adressiert werden. Ziel ist, durch Strukturoptimierungen und Oberflächenveredelungen die Energiedichte und Nachhaltigkeit von Batterien zu verbessern und gleichzeitig die Produktionskosten zu senken.

Das Forschungsteam stellt dabei die Aktivmaterialien der Batterien in den Mittelpunkt. Lithium-Ionen-Batterien für Mobilitätsanwendungen nutzen bisher kathodenseitig meist nickelreiche Übergangsmetalloxide mit hoher spezifischer Energiedichte. Für stationäre Batteriespeicher werden überwiegend Kathodenmaterialien mit Olivinstruktur (z.B. Lithium-Eisenphosphat, kurz: LFP) eingesetzt, die im Vergleich zu den Übergangsmetalloxiden wesentlich geringere Rohmaterialpreise und 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.

Das Projekt StroBoBatt setzt auf die Materialsynthese bzw. Struktur- und Oberflächenveredelungen von Lithium-(Mangan)-Eisenphosphatmaterialien zur Reduzierung von Material- und Herstellungskosten, zur Erhöhung der Zyklenfestigkeit und Eliminierung der Elemente Nickel und Kobalt, welche in der EU als kritische Rohstoffe gelten.

Um die Energiedichte des Anodenaktivmaterials mindestens zu verdoppeln und die globale Rohstoffabhängigkeit von Grafit zu reduzieren, werden im Projekt Siliziummaterialien für den Einsatz in Silizium-Kohlenstoff-Kompositen erforscht. Silizium besitzt im Vergleich zu Grafit eine um den Faktor zehn höhere theoretische spezifische Kapazität und kann in der EU hergestellt werden.

Eine weiter Kostenreduktion bei der Herstellung der Batteriezellen soll durch die wässrige Kathodenprozessierung und eine taupunktreduzierte Zellfertigung erreicht werden. Für die Skalierung der entwickelten Prozesse wird am Fraunhofer ISE eine Pilotlinie zur Verfügung stehen, welche die Aktivmaterialsynthese, die Pasten- und Elektrodenherstellung sowie die Batteriezellfertigung (Pouch) inklusive Formierung umfasst.

Die Verbund- und Entwicklungspartner des Projekts decken von der Materialentwicklung über deren Skalierung bis hin zur industriellen Batteriezellfertigung und deren Charakterisierung nahezu die gesamte Wertschöpfungskette von Lithium-Ionen-Batterien ab: Fraunhofer ISE (Material-, Prozess- und Zellentwicklung), Glatt Ingenieurtechnik (Maschinen- und Anlagenbau, Material- und Prozessentwicklung) und PCC Thorion (Materialherstellung, Material- und Prozessentwicklung. Die Entwicklungspartner von StrOboBatt sind LG Chem Europe (Materialherstellung), E-Lyte (Materialherstellung), UniverCell (industrielle Elektroden- und Zellherstellung samt Formierung) und weitere Partner.