Projekt kombiniert Faser- und Vliesstofftechnik mit Halbleitertechnik Neuartige Silizium-Anoden für höhere Energiedichte von Li-Ionen-Batterien

Ein neues Forschungsprojekt mit vier Partnern aus Baden-Württemberg, darunter das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, soll für Fortschritte in der Batterietechnologie sorgen. Zum Ziel hat das Projekt "Facile", den Energieinhalt von Lithium-Ionen-Akkus durch die Entwicklung neuartiger Silizium-Anoden zu steigern.

Das Konsortium aus Industrie und Wissenschaft setzt hierfür auf bewährte Verfahren aus der Papier- und Vliesstoffproduktion, kombiniert mit industriellen Beschichtungstechniken aus der Halbleitertechnik und Photovoltaik. Ziel ist es, die praktische Energiedichte auf der Anodenseite um bis zu 250 % zu steigern und den ökologischen Fußabdruck der Akkus zu verbessern. Das am 1. Juli 2025 gestartete Vorhaben wird vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg mit insgesamt 1,28 Millionen Euro gefördert. Es läuft bis zum 30. Juni 2027.

Wettbewerbsfähigkeit in Region stärken

"Facile zeigt, wie Industrie und Wissenschaft in Baden-Württemberg gemeinsam die gesamte Wertschöpfungskette von der Materialentwicklung bis zur Zellproduktion für Lithium-Ionen-Batterien abdecken können", sagt Prof. Dr. Markus Hölzle, Vorstandsmitglied und Leiter des ZSW in Ulm. "Das Projekt entwickelt Silizium-Anoden auf flexiblen Vliesstoffträgern, die die starken Volumenänderungen des Materials ausgleichen. So entstehen leistungsstarke, langlebige und nachhaltige Batterien – ein wichtiger Beitrag zur Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit der Region."

Herkömmliche Anoden bestehen aus Grafit, das Lithium mit bis zu 370 mAh/g speichern kann. Zum Vergleich: Silizium bietet eine theoretische Speicherkapazität von bis zu 4.200 mAh/g – also mehr als das Zehnfache. Die Kosten für Silizium selbst sind vergleichbar mit denen von Grafit. Silizium ist zudem nachhaltiger, da es weltweit reichlich verfügbar ist.

Fasern statt Risse: Silizium-Anoden neu gedacht

Die Projektpartner aus Baden-Württemberg setzen sich zum Ziel, die tatsächliche Energiedichte der Anode durch den Einsatz von Silizium um mindestens 250 % zu steigern – auf eine praktische Kapazität von mindestens 1.000 mAh/g. Die Herausforderung dabei: Während des Lade- und Entladevorgangs verändert stark Silizium sein Volumen. Ohne geeignete Gegenmaßnahmen kommt es schnell zu Rissen und Abplatzungen auf der Anode, was letztlich zum Batterieausfall führen kann. Hier setzt Facile an. Zum ersten Mal werden Silizium-Anoden auf faserbasierten, elektrisch leitfähigen vliesstoffartigen Substraten entwickelt. Diese flexible Vliesstoffstruktur soll die Volumenänderungen des Siliziums ausgleichen und als neuartiges Verbundmaterial hohe Leistung, lange Lebensdauer und Nachhaltigkeit kombinieren.

Bau und Validierung von Testzellen

Das ZSW in Ulm prüft zunächst die im Projekt hergestellten faserbasierten Silizium-Anoden in kleinen Testzellen. Anschließend prüfen die Wissenschaftler die Herstellungsprozesse, passen sie an und skalieren sie hoch, um große Batteriezellen herzustellen, wie sie in E-Fahrzeugen zum Einsatz kommen. Hierfür bringt das Institut umfangreiche Erfahrung ein: Es verfügt über mehrere Pilotanlagen zur Zellfertigung, darunter seit 2014 eine Forschungsproduktionslinie für die seriennahe Fertigung großer Lithium-Ionen-Zellen bis zu 100 Ah.

Zudem besitzen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen jahrzehntelange Erfahrung in der Sicherheits- und Leistungsbewertung von Batterien und Prototypen. Bereits 1998 wurde das europaweit anerkannte Batterie-Sicherheits- und Testzentrum gegründet.

Projekt bildet Wertschöpfungskette ab

Das Projekt deckt alle wichtigen Schritte zur Herstellung innovativer Lithium-Ionen-Batterien ab: von der Entwicklung neuer Anodenmaterialien über Fertigungsprozesse und Anlagentechnologien, Materialtests und Methodenentwicklung bis hin zur Produktion der Batteriezellen. Die Partner bringen dabei ihre technologische Kompetenz ein, um die passenden Verfahren auszuwählen, zu entwickeln und zu optimieren.

Das Projekt "Entwicklung & Herstellung innovativer, faser- und siliziumbasierter Anodenmaterialien für leistungsfähige und nachhaltig produzierte Li-Ionen-Batterien" (Facile) wird von centrotherm international in Blaubeuren koordiniert. Im Rahmen des Forschungsprojekts arbeitet der Maschinenbauspezialist an der Entwicklung einer Hochdurchsatzanlage zur Siliziumbeschichtung von Faserstoffen. Weitere Partner sind die Phoenix Nonwoven GmbH & Co. KG in Lenningen, die die speziellen Vliesstoffe entwickelt und liefert, das International Solar Energy Research Center Konstanz, das die Verbindung von Vlies und Kupferfolie untersucht, sowie der Bereich Photovoltaik der Universität Konstanz, der die Materialanalysen durchführt. Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm charakterisiert, fertigt und testet schließlich die neuartige faserbasierte Anode in kompletten Batteriezellen.