Konsortialprojekt BALU entwickelt Fertigungstechnologien für preisgünstige und sichere Aluminiumionen-Batterien

Werkstoffe 08. 05. 2024
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Im Verbundprojekt BALU – Fertigungstechnologie für Batteriezellkonzepte auf Basis der Aluminium-Ionen-Technologie entwickelt nach Mitteilung des Fraunhofer IST ein Konsortium aus Forschungseinrichtungen und spezialisierten Industrieunternehmen die Aluminium-Graphit-Dual-Ionen-Batterie (AGDIB) weiter. Aufgrund der hohen Leistungsdichte besitzt die AGDIB-Technologie ein großes Potenzial im Bereich hochdynamischer Lastanforderungen und könnte hier eine Alternative zu kosten- und materialintensiven Lithiumbatterien sein. Das Projekt verfolgt das ehrgeizige Ziel, die Herstellung der AGDIB-Zellen vom Labormaßstab auf industriekompatible Produktionsbedingungen zu übertragen. Neben dem Transfer der neuen Batterietechnologie spielen dabei ausdrücklich ökologische Überlegungen, wie zum Beispiel der Verzicht auf kritische Rohstoffe, die umweltverträgliche Herstellung oder eine spätere Wiederverwertung, eine Rolle. Das Projekt BALU wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms Batterie2020Transfer gefördert.

Es wäre ein technologischer Durchbruch: preiswerte, leistungsfähige und wiederaufladbare Batterien, ohne kritische Rohstoffe oder brennbare Materialien, einfach in der Herstellung, sicher im Betrieb und nach ­jahrelanger Nutzung problemlos recycelbar. Eine neue Technologie mit dem etwas sperrigen Namen Aluminium-Graphit-Dual-Ionen-Batterie, kurz AGDIB, könnte das tatsächlich ermöglichen. In den Laboren des Fraunhofer-Technologiezentrums Hochleistungsmaterialien THM in Freiberg existieren bereits Prototypen, die in umfangreichen Testreihen das Potenzial der Zellchemie aufgezeigt haben. Mit ihrer hohen Leistungsdichte würde sich die AGDIB besonders für hochdynamische Lastanforderungen eignen, in denen bislang die kostenintensive Lithium-Titan-Oxid-Technologie (LTO) der State of the Art ist.

Entscheidend für derartige Anwendungen ist eine möglichst hohe Laderate. Je höher die Laderate, desto schneller lassen sich die Zellen laden und entladen. Versuche mit flexiblen AGDIB-Pouchzellen zeigten, dass ein langzeitstabiler Betrieb bei sehr hohen Raten von über 30 C möglich ist, ein sehr guter Wert für dieses Zellformat. Und auch die anderen elektrischen Parameter sowie die Zyklenfestigkeit können mit der Performance der teuren LTO-Batterien mithalten. Im Un­terschied zur LTO-Technologie kommt die AGDIB aber mit nicht-toxischen, günstigen und gut verfügbaren Materialien aus.

Die Bauart der Labormuster eignet sich allerdings noch nicht für die Serienfertigung, und bis zu einem Transfer in die Massenproduktion stellen sich vollkommen neue Entwicklungsaufgaben. Das betrifft die Herstellung der eingesetzten Materialien und der einzelnen Zellkomponenten als auch das Design und die Fertigung der ganzen AGDIB-Zelle.

Motiviert durch die vielversprechenden Test­ergebnisse hat sich jetzt ein Konsortium aus Forschungseinrichtungen und ­spezialisierten Industrieunternehmen zusammengefunden, das die nächsten entscheidenden Schritte in Richtung Marktreife gehen will. Unter dem Dach des BMBF-Verbundprojekts BALU bringen Partner aus unterschiedlichen Fachbereichen ihr Knowhow ein und treiben gemeinsam die Entwicklung der AGDIB voran.

Wie der Name des Projekts andeutet, wird das ehrgeizige Ziel verfolgt, die Herstellung der AGDIB-Zellen vom Labormaßstab auf industriekompatible Produktionsbedingungen zu übertragen. Dabei rücken wirtschaftliche Rolle-zu-Rolle-Verfahren in den Vordergrund, um in größerer Stückzahl mehrlagige Pouchzellen zu fertigen.

Sobald die AGDIB-Pouchzellen in ausreichender Menge verfügbar sind, können die Projektpartner komplette Batteriemodule aufbauen, das Betriebsverhalten der Zellen spezifizieren und die Parameter für die Systemauslegung definieren. Die AGDIB-Hochleistungmodule werden dann in ­industrielle Batteriesysteme integriert und müssen im praktischen Betrieb ihre Qualität unter Beweis stellen. Hier stehen konkrete Anwendungen im Fokus, wie etwa elektrische Powerbooster für Großgeräte oder stationäre Speicher zur Stromnetzstabilisierung.

Bei der Weiterentwicklung der AGDIB spielen nicht nur die elektrische Leistungsfähigkeit und die Fertigungstechnik eine Rolle, sondern auch ökonomische und ökologische Überlegungen. Der weltweite Bedarf an elektrischen Energiespeichern steigt stetig und die fortschreitende Elektrifizierung ­benötigt immer mehr Ressourcen. Mit dem zunehmenden Einsatz von Batterien gewinnen Fragen zu den eingesetzten Materialien, zur umweltverträglichen Herstellung und Betriebssicherheit sowie zur späteren Wiederverwertung an Stellenwert.

All dies ist schon in einem möglichst frühen Stadium der Technologieentwicklung zu berücksichtigen. Das BALU-Konsortium bringt dafür breites Fachwissen auf den Gebieten der Materialforschung, Fertigungstechnologie, Batteriesystemtechnik und Ökobilanzierung zusammen. Neben Möglichkeiten zur Substitution kritischer Rohstoffe untersuchen die Projektpartner alle Schritte vom Zell- und Moduldesign bis zur Systemintegration hinsichtlich ihrer recyclinggerechten Auslegung und betrachten den gesamten Produktlebenszyklus aus ganzheitlicher Perspektive

Besonders im Hinblick auf die kostenintensiven LTO-Batteriezellen lohnt sich die Suche nach alternativen Materialsystemen. Für hochdynamische Anwendungen kommt es nicht primär auf den Energieinhalt einer Batterie an, sondern auf die möglichst schnelle Bereitstellung der elektrischen Leistung. Hier besitzt die Aluminium-Graphit-Dual-Ionen-Batterie ein großes Potenzial. Dabei werden wirtschaftliche Vorteile und Umweltaspekte vereint.

Text zum Titelbild: Technologieentwicklung im Konsortialprojekt BALU (© Jürgen Lösel/Fraunhofer IKTS)

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