Stromkollektoren – in der Batteriezelle die leitfähigen Trägerfolien für Anode und Kathode – bestehen heute standardmäßig aus Kupfer- bzw. Aluminiumfolie. Das Fraunhofer FEP in Dresden hat nun ein Verfahren entwickelt, bei dem diese Metallfolien durch Metall-auf-Polymer-Verbunde ersetzt werden. Dabei werden mittels Elektronenstrahlverdampfung dünne Kupfer- und Aluminiumschichten auf Polymerfolien aufgetragen. Das Verfahren läuft als Rolle-zu-Rolle-Prozess (R2R) und ist damit prinzipiell auf industrielle Produktionsgeschwindigkeiten skalierbar.
Laut Fraunhofer FEP erreichen die so hergestellten Composite Current Collectors eine vergleichbare elektrische Leitfähigkeit und Schichtdicke wie konventionelle Metallfolien-Stromkollektoren. Projektleiter Claus Luber und sein Team haben sowohl kupfer- als auch aluminiumbasierte Varianten realisiert. Die Ergebnisse wurden im Rahmen der Fraunhofer-Allianz Batterien veröffentlicht.
Der wesentliche Vorteil von Metall-Polymer-Stromkollektoren liegt in der erhöhten Batteriesicherheit. Bei herkömmlichen Metallfolien kann im Fehlerfall – etwa durch mechanische Beschädigung, Überladung oder Überhitzung – ein Kurzschluss zu einem unkontrollierten thermischen Durchgehen (Thermal Runaway) führen. Polymerbasierte Trägerfolien können dieses Risiko durch ihren elektrisch isolierenden Kern reduzieren, da sie im Kurzschlussfall den Stromfluss begrenzen. Gleichzeitig eröffnet das geringere Gewicht der Polymerfolie gegenüber einer reinen Metallfolie Potenzial zur Steigerung der gravimetrischen Energiedichte auf Zell- und Systemebene.
In der Batteriezellforschung gelten Composite Current Collectors als vielversprechender Ansatz, der insbesondere für Hochenergie- und Hochsicherheitsanwendungen relevant ist. Chinesische Zellhersteller wie CATL und BYD haben entsprechende Varianten bereits in Serienentwicklung oder Produktion überführt; im europäischen Raum befinden sich vergleichbare Konzepte noch überwiegend im Forschungs- und Pilotmaßstab. Das Fraunhofer FEP positioniert sich mit diesem R2R-fähigen Verfahren als möglicher Technologielieferant für europäische Gigafactory-Projekte und Zellhersteller, die eine heimische Lieferkette für Batteriekomponenten aufbauen wollen.
Für die Elektrodenfertigung in der industriellen Praxis ist die Kompatibilität der neuen Stromkollektoren mit bestehenden Beschichtungs- und Kalandrierprozessen entscheidend. Ob die Polymerträger die mechanischen Belastungen des Kalandrierens und der Folienhandhabung in Hochgeschwindigkeitsanlagen ohne Qualitätsverlust bestehen, dürfte ein zentrales Thema für die Überführung in den Produktionsmaßstab sein. Das Fraunhofer FEP stellt die erzielten Ergebnisse nach eigenen Angaben als Grundlage für industrielle Optimierungsprozesse zur Verfügung.
Quelle: Fraunhofer-Allianz Batterien – https://www.batterien.fraunhofer.de/de/presse_medien/presse/neues-produktionsverfahren-fuer-metall-polymer-stromkollektoren.html
