Mit amorphen Kohlenstoffschichten zu lang-lebigeren Lithium-Metall- Batterien

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Die Nachfrage nach leistungsfähigeren und leichteren Batteriesystemen
wächst. Besonders für die Elektromobilität, die Luft- und Raumfahrt sowie
stationäre Energiespeicher sind Batterien mit hoher Energiedichte und
langer Lebensdauer gefragt. Das Fraunhofer IST erforscht deshalb gemeinsam
mit dem Fraunhofer USA Center Midwest (CMW) neue Ansätze, um die
Leistungsfähigkeit und Lebensdauer zukünftiger Batteriesysteme zu
verbessern. Ein vielversprechender Ansatz sind Lithium-Metall-Anoden, bei
denen das Lithium selbst als aktives Anodenmaterial dient und so aufgrund
seiner hohen spezifischen Kapazität Batteriezellen mit potenziell höherer
Energiedichte ermöglicht.

Um die Potenziale von Lithium-Metall-Anoden für langlebigere
Batteriezellen zu erschließen, setzt das neue Forschungsprojekt »LIMAC –
Amorphous Carbon Interlayers for Reliable Lithium-Metal Battery Cells« auf
dünne amorphe Kohlenstoff-Zwischenschichten. Im Mittelpunkt steht die
Frage, ob diese die Grenzfläche zwischen Lithium-Metall-Anode und
(Fest-)Elektrolyt stabilisieren und dadurch zu zuverlässigeren und
langlebigeren Batteriezellen beitragen können. Dafür sollen in einem
ersten Schritt dünne amorphe Kohlenstoffschichten entwickelt und mithilfe
eines innovativen Laser-Arc-PVD-Verfahrens auf Kupfer-Stromableitern
abgeschieden werden. Anschließend werden die beschichteten Materialien in
Batteriezellen erprobt und mit Referenzzellen verglichen. So soll
untersucht werden, welche Eigenschaften der Zwischenschichten für eine
möglichst stabile Grenzfläche in der Batteriezelle entscheidend sind.

Vom Labormaßstab zur größeren Batteriezelle

Neben der technischen Leistungsfähigkeit betrachtet das Projekt auch die
ökologische Perspektive und die spätere Übertragbarkeit auf größere
Zellformate. Zum einen sollen mithilfe einer Ökobilanz, dem sogenannten
Life Cycle Assessment (LCA), relevante Stoff- und Energieflüsse sowie die
Umweltwirkungen des Ansatzes untersucht, zum anderen gleichzeitig ein
Konzept für die Übertragung der Technologie auf größere Pouchzellen
entwickelt werden. Damit verbindet das Projekt Materialentwicklung und
Zellforschung mit ökologischer Bewertung und ersten Überlegungen zur
späteren Skalierung. Ziel ist es, das Potenzial amorpher Kohlenstoff-
Zwischenschichten für zuverlässigere Lithium-Metall-Batterien umfassend zu
bewerten und eine Grundlage für die Weiterentwicklung in Richtung größerer
Zellformate zu schaffen.

Langfristig könnten leistungsfähigere und langlebigere Lithium-Metall-
Batterien dazu beitragen, das Gewicht von Batteriesystemen zu reduzieren
und gleichzeitig hohe Energiedichten zu ermöglichen. Davon könnten
Anwendungen profitieren, bei denen Gewicht, Leistungsfähigkeit und
Reichweite eine wichtige Rolle spielen – von Elektrofahrzeugen über die
Luft- und Raumfahrt bis hin zu stationären Energiespeichern.

Zum Projekt

»LIMAC – Amorphous Carbon Interlayers for Reliable Lithium-Metal Battery
Cells«

Projektpartner:

Fraunhofer USA Center Midwest (CMW)
Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST

Projektlaufzeit: September 2026 bis August 2028

Förderhinweis: Das Projekt wird im Rahmen des internen Fraunhofer-
Programms PACT (Program for Affiliate Cooperation and Knowledge Transfer)
gefördert.