Batterieforschung: Fraunhofer-Hochenergiezellen behalten nach 1.000 Ladezyklen über 83 Prozent Kapazität

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Freiburg - Forschende des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben Fortschritte bei der Entwicklung langlebiger Lithium-Ionen-Batterien mit siliziumreichen Anoden erzielt. Selbst gefertigte Hochenergie-Batteriezellen zeigten in Langzeittests eine hohe Zyklenfestigkeit bei gleichzeitig hoher Energiedichte.

Die internationale Batterieforschung verfolgt verschiedene Ansätze, um Energiedichte, Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit von Stromspeichern zu verbessern. Neben der Weiterentwicklung etablierter Lithium-Ionen-Batterien stehen neue Technologien wie Natrium-Ionen- und Festkörperbatterien im Fokus. Siliziumreiche Anoden sind ein Ansatz, um die Energiedichte von Lithium-Ionen-Zellen zu erhöhen.

Siliziumreiche Batteriezellen erreichen Energiedichte von 280 Wh/kg bei mehr als 1.000 Ladezyklen

Im Forschungsprojekt StrOboBatt hat das Fraunhofer ISE siliziumreiche Lithium-Ionen-Batteriezellen hergestellt und auf ihre Energiedichte und Zyklenfestigkeit untersucht. Als wichtiger Richtwert für die Zyklenfestigkeit gelten mindestens 1.000 vollständige Lade- und Entladezyklen bei einem Kapazitätserhalt von 80 Prozent.

Mit selbst gefertigten Pouchzellen hat das Institut diesen Richtwert überschritten. Dabei handelt es sich um flache Batteriezellen mit einer flexiblen Folienhülle anstelle eines starren Metallgehäuses. Die Zellen erreichten im nicht optimierten Forschungszellformat des Fraunhofer ISE eine gravimetrische Energiedichte von 280 Wh/kg. Nach mehr als 1.000 Vollzyklen verfügten sie bei einem mechanischen Anpressdruck von 1.000 kPa noch über 83 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität.

Die Batteriezellen haben eine Kapazität von 25 Amperestunden (Ah). Ihre Anoden bestehen aus Silizium-Kohlenstoff-Komposit und Graphit, wobei das Komposit 51 Prozent des aktiven Anodenmaterials ausmacht.

Die Zellen wurden mit kommerziell verfügbaren Elektrodenfolien auf einer halbautomatischen Fertigungslinie im Trockenraum des Fraunhofer ISE hergestellt. Nach Angaben des Instituts könnte die Energiedichte in einem industriell optimierten Pouchzellformat auf etwa 330 Wh/kg steigen. Dieser Wert ist bislang eine technische Erwartung und wurde mit den untersuchten Forschungszellen noch nicht nachgewiesen.

Mechanischer Druck beeinflusst Lebensdauer der Batteriezellen

Ein Schwerpunkt der Untersuchungen des Fraunhofer ISE lag auf dem Einfluss des mechanischen Anpressdrucks auf die Alterung der Batteriezellen. Dazu testeten die Forschenden die Pouchzellen bei Drücken von 300 und 1.000 kPa. Die Untersuchungen erfolgten unter anderem bei einer Stromrate von 1C, die einer vollständigen Ladung beziehungsweise Entladung innerhalb von etwa einer Stunde entspricht.

Während die Zellen bei einem Anpressdruck von 1.000 kPa den angestrebten Kapazitätserhalt auch nach mehr als 1.000 Vollzyklen erreichten, nahm die nutzbare Kapazität bei 300 kPa insbesondere unter höherer Strombelastung deutlich stärker ab.

Der mechanische Druck kann die elektrischen Kontakte innerhalb der Zelle stabilisieren und das Risiko verringern, dass sich Elektrodenmaterialien infolge wiederholter Volumenänderungen ablösen. Die Ergebnisse unterstreichen damit den erheblichen Einfluss der mechanischen Auslegung auf die Lebensdauer siliziumreicher Batteriezellen.

Die Forschenden stellten außerdem fest, dass die bei langsamer Entladung gemessene Restkapazität höher ausfiel als die bei schnellerer Entladung tatsächlich nutzbare Kapazität.

Batterietechnologien: Unterschiedliche Entwicklungswege für höhere Leistung und geringere Kosten

Die verschiedenen Forschungsrichtungen in der Batterietechnik setzen unterschiedliche Schwerpunkte: Während bei etablierten Lithium-Ionen-Batterien unter anderem neue Elektrodenmaterialien und höhere Energiedichten im Mittelpunkt stehen, verfolgen alternative Zellchemien und Festkörperkonzepte weitere Ansätze zur Verbesserung von Kosten, Sicherheit und Rohstoffverfügbarkeit.

Bei Elektrofahrzeugen dominieren derzeit Lithium-Ionen-Batterien. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) entfielen 2025 mehr als 55 Prozent der weltweit in Elektrofahrzeugen eingesetzten Batteriekapazität auf kostengünstigere Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP). Nickelhaltige NMC-Zellen bieten höhere Energiedichten, sind jedoch teurer und werden insbesondere für Elektrofahrzeuge mit hohen Reichweitenanforderungen eingesetzt.

Natrium-Ionen-Batterien kommen ohne Lithium aus und können Vorteile bei niedrigen Temperaturen bieten. Ihre Energiedichte liegt laut IEA bei den neuesten Zellgenerationen mit bis zu 175 Wh/kg allerdings unter der von LFP-Zellen (bis zu 205 Wh/kg) und NMC-Zellen (bis zu 265 Wh/kg). Festkörperbatterien mit festen Elektrolyten versprechen Vorteile bei Energiedichte und Sicherheit, müssen diese jedoch in der industriellen Anwendung noch nachweisen.

Siliziumreiche Anoden sollen die Energiedichte bestehender Lithium-Ionen-Zellen erhöhen und können zugleich den Bedarf an Graphit verringern. Die Fraunhofer-Ergebnisse zeigen, dass sich bei entsprechendem mechanischem Anpressdruck eine hohe Energiedichte mit einer hohen Zyklenfestigkeit verbinden lässt.

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