Batterien müssen leistungsfähig, sicher und nachhaltig sein – gleichzeitig sollen sie kosteneffizient produziert werden können. Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP entwickelt neue Materialien für Batterien der nächsten Generation. Im Fokus stehen maßgeschneiderte Polymerelektrolyte, Membranen und Separatoren, biobasierte Carbonmaterialien sowie leistungsfähige Katalysatoren – entwickelt für industrielle Anwendungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette.
Ob Elektrofahrzeug, stationärer Energiespeicher oder tragbare Elektronik – die Energiedichte, Schnellladefähigkeit, Lebensdauer und Sicherheit einer Batterie werden wesentlich durch ihre Materialien bestimmt. Forschende des Fraunhofer IAP im Potsdam Science Park entwickeln maßgeschneiderte neue Batteriematerialien und bündeln ihre Kompetenzen in der Polymerchemie, der Membran- und Separatorprozessierung, der Entwicklung biobasierter und maßgeschneiderter Carbonmaterialien, der Katalysatorherstellung sowie im Scale-up. Ziel ist nach Aussage von Dr. Benjamin Heyne, Leiter der Abteilung Energiematerialien am Fraunhofer IAP, eine integrierte Materialplattform – von der Synthese über das Scale-up bis hin zu Prototypenherstellung und -charakterisierung. Unternehmen erhalten von uns Unterstützung von der ersten Idee bis zur Überführung in größere Maßstäbe.
Feste Elektrolyte als Alternative
Konventionelle Batterien basieren überwiegend auf flüssigen Elektrolyten, die bei Beschädigung Sicherheitsrisiken bergen und in ihrem Temperaturbereich begrenzt sind. Das Fraunhofer IAP arbeitet daher an festen Polymerelektrolyten. Diese ermöglichen einen effizienten Ionentransport, sind mechanisch stabil, nicht flüchtig und bieten verbesserte thermische Eigenschaften. Einige der entwickelten Systeme erreichen bereits hohe ionische Leitfähigkeiten von > 10-4 S/cm bei Raumtemperatur. Durch gezielte molekulare Anpassung lassen sich mechanische, thermische und elektrochemische Eigenschaften präzise einstellen. Die Materialien sind mit verschiedenen Batteriesystemen kompatibel, darunter Natriumionen-, Zink-Luft- oder Lithiumionenbatterien. Neben den rein polymeren Elektrolyten werden auch Polymerkompositelektrolyte entwickelt, bei denen organische und anorganische Komponenten kombiniert werden. Dadurch lassen sich Leitfähigkeit, Stabilität und Sicherheit weiter optimieren. Auch Polymerkomposit-Kathoden werden realisiert. Dabei wird ein Kathodenmaterial, wie zum Beispiel Natrium-Vanadium-Phosphat (NVP), mit der Polymermatrix kombiniert. Da dieselbe Polymermatrix wie im Polymerelektrolyten verwendet wird, lassen sich Grenzflächenwiderstände zwischen Kathode und festem Polymerelektrolyten vermeiden. Beide Schichten verbinden sich besser und lassen sich im Idealfall sogar kovalent miteinander verknüpfen.
PFAS-freie Membranen und Separatoren
Membranen und Separatoren übernehmen in Batterien eine zentrale Sicherheits- und Funktionsrolle. Sie trennen die Elektroden voneinander und ermöglichen gleichzeitig einen selektiven Ionentransport. Das Fraunhofer IAP entwickelt chemisch und mechanisch stabile Separatoren mit gezielt einstellbarer Porenarchitektur. Porengröße und Porosität können an spezifische Anforderungen angepasst werden. Ein besonderer Fokus liegt auf PFAS-freien Lösungen, denn die schwer abbaubaren Stoffe stehen zunehmend in der Kritik. PFAS-freie Materialien werden künftig die Zulassung von neuen Batteriesystemen erleichtern. Sie sind dabei nicht nur umweltfreundlicher, sondern zugleich leistungsfähiger und langlebiger. Unsere Materialien lassen sich in bestehende Produktionsprozesse integrieren und tragen gleichzeitig zu einer höheren Stabilität und Zyklierbarkeit der Zellen bei, erklärt Dr. Murat Tutus, Leiter der Abteilung Membranen und Separatoren am Fraunhofer IAP.
Biobasierte Carbonmaterialien und Katalysatoren ohne kritische Elemente
Für Elektroden werden am Fraunhofer IAP biobasierte Carbonmaterialien auf Basis der nachwachsenden Rohstoffe Cellulose und Lignin entwickelt. Sie bieten neben ökonomischen und ökologischen Vorteilen auch vielfältige Möglichkeiten zur Strukturbildung. Während der Präkursorherstellung und der Carbonisierung können zum Beispiel Porenstruktur, spezifische Oberfläche, elektrische und thermische Leitfähigkeit, chemische Reinheit und Funktionalisierung gezielt eingestellt werden. Dadurch lassen sich Elektrodenstrukturen optimieren, neue Funktionen integrieren und fossile Rohstoffe zum Teil ersetzen.
Im Bereich der Katalysatoren ist es ein Ziel, den Einsatz von kritischen Elementen deutlich zu reduzieren und gleichzeitig hohe katalytische Aktivität sowie Langzeitstabilität zu gewährleisten. Partikelgröße, Oberflächenchemie und strukturelle Eigenschaften werden präzise kontrolliert, um reproduzierbare industrielle Prozesse zu ermöglichen. Entscheidend ist, dass wir Struktur und Oberfläche exakt einstellen können, so Dr. Christoph Gimmler, Leiter der Abteilung Nanoskalige Energie- und Strukturmaterialien am Fraunhofer IAP. So entstünden Materialien mit definierten Eigenschaften, die skalierfähig seien und sich zuverlässig in industrielle Fertigungsprozesse integrieren ließen.
Von der Entwicklung zur Anwendung
Die Materialien befinden sich derzeit im fortgeschrittenen Entwicklungsstadium. Funktionsmuster liegen im Labormaßstab vor, erste Tests in vollständigen Batteriezellen laufen. Die Aktivitäten sind zudem im Arbeitskreis Materialentwicklung für Energiespeicher und -anwendungen verankert. Die Übertragung in größere Produktionsmaßstäbe erfolgt in enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern.
- www.iap.fraunhofer.de
Text zum Titelbild: Neue Batteriematerialien, zum Beispiel chemisch und mechanisch stabile Separatoren mit gezielt einstellbarer Porenarchitektur (© Fraunhofer IAP / Jadwiga Galties)
