Aluminium statt Graphit und Kupfer: Fraunhofer IPA entwickelt und patentiert neue Anode für Lithium-Ionen-Zellen

© Fraunhofer IPA / Rainer BezStuttgart - Die Anode von Lithium-Ionen-Zellen, die etwa in Batteriespeichern und Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen, besteht bislang meist aus Graphit. Das Fraunhofer IPA hat mit dem Institut für Photovoltaik der Universität Stuttgart eine patentierte Technologie entwickelt, die ohne Graphit und Kupferfolie auskommt und stattdessen Aluminium als Anodenmaterial nutzbar machen soll.

Graphit zählt nach der Risikobewertung der Internationalen Energieagentur (IEA) zu den Rohstoffen mit einem hohen Versorgungsrisiko für die Batterieindustrie, unter anderem weil mit China ein Lieferant das Angebot dominiert. China hat im Oktober 2025 Exportkontrollen unter anderem für Lithium-Ionen-Batterien und künstliche Graphit-Anodenmaterialien beschlossen. Die für November 2025 vorgesehenen Kontrollen wurden jedoch bis zum 10. November 2026 ausgesetzt.

Technologie: Aluminiumfolie dient als Stromableiter und Aktivmaterial, Kupferfolie entfällt
Die Anode einer Lithium-Ionen-Zelle nimmt beim Laden die Lithium-Ionen auf. Als Anodenmaterial dient bislang meist Graphit, eine Alternative könnte Aluminium sein. Aluminium gilt seit Langem als vielversprechendes Anodenmaterial, weil es verfügbar und kostengünstig ist und hohe Kapazitäten ermöglicht. Dieses Potenzial nutzbar zu machen, ist das Ziel eines Teams um Professor Kai Peter Birke, wissenschaftlicher Direktor am Fraunhofer IPA, das dafür mit dem Institut für Photovoltaik der Universität Stuttgart zusammenarbeitet.

Bislang verhinderten Materialschäden den industriellen Einsatz von Aluminium. Beim Laden und Entladen verändert Aluminium sein Volumen, die mechanischen Spannungen führen zu Rissen, Porenbildung und schließlich zur Pulverisierung der Elektrode, die Kapazität sinkt. Die vom Fraunhofer IPA und dem Institut für Photovoltaik der Universität Stuttgart entwickelte neue Zell- und Elektrodentechnologie soll diese Alterung verhindern. Nach IPA-Angaben stabilisiert sie die Materialien im Betrieb und erhält den elektrischen Kontakt über viele Zyklen.

Ausgangsmaterial ist eine handelsübliche, legierte Aluminiumfolie, die zugleich Stromableiter und Aktivmaterial ist. Kupfer als Trägerfolie entfällt, ebenso der Beschichtungsprozess, der das Aktivmaterial erst als Elektrode nutzbar macht. Das senkt laut IPA die Prozesskosten und den Energiebedarf der Elektrodenfertigung. Die Anode kommt ohne Graphit und Silizium aus. "Wir machen eine seit Langem bekannte, aber bislang schwer beherrschbare Batterietechnologie praktisch nutzbar", sagt Birke.

Zellchemie: Lithium-Manganoxid-Kathode statt Lithium-Eisenphosphat, kein Graphit
Die Aluminium-Anode ist Teil eines kompletten Zellkonzepts: Das IPA kombiniert sie mit einer fluorfreien Lithium-Manganoxid-Kathode (LMO). Das ermöglicht laut IPA eine konkurrenzfähige Energiedichte und bietet eine phosphatfreie, kostengünstige Alternative zur Lithium-Eisenphosphat-Zelle. Gefertigt werden soll die Zellchemie auf bestehenden Produktionsanlagen.

Die Aluminium-Anode lässt sich zudem mit alternativen Elektrolytlösemitteln mit hohem Flammpunkt kombinieren, die einen sicheren Betrieb bei erhöhten Temperaturen ermöglichen. Zusammen mit der LMO-Kathode wäre laut IPA ein komplett fluor- und damit PFAS-freier Zellaufbau möglich, also eine Zellchemie, die ohne per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen auskommt. Nach Angaben des IPA wäre damit das Risiko eines Austritts von hochgiftigem Fluorwasserstoff aus der Zelle eliminiert.

Entwicklungsstand: Prototypen im Labortest - erste Einsatzfelder Luftfracht und Medizintechnik
Das Team um Birke hat mehrere Prototypen gebaut und testet sie im Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion am Fraunhofer IPA. Weil die Materialstabilität nun beherrschbar wird, eröffnen sich laut IPA neue Einsatzmöglichkeiten: Die Zellchemie erlaube den Einsatz in der Luftfracht, etwa für das Tracking von Transportbehältern, und in spezialisierten medizintechnischen Geräten.

Diese Anwendungen benötigen Energiespeicher, die kompakt, zuverlässig und sicher betrieben werden können. "Der Durchbruch bei der Materialstabilität macht Batterien mit Aluminium-Anoden zu einer realistischen Option für die nächste Generation anspruchsvoller Energiespeicher", so Kathrin Schad vom Forschungsteam Batterietechnologien. Batteriespeicher oder Elektrofahrzeuge nennt das IPA nicht explizit.

Rohstoffrisiko: Graphit, Kupfer und Aluminium sind in der EU kritische und strategische Rohstoffe
Rohstoffsicherheit ist in der EU ein Regulierungsthema: Der Critical Raw Materials Act führt Bauxit/Aluminiumoxid/Aluminium, Kupfer und Graphit sowohl als kritische als auch als strategische Rohstoffe. Bei Graphit nennt die strategische Liste ausdrücklich Batteriequalität. Bis 2030 soll die EU bei keinem strategischen Rohstoff zu mehr als 65 Prozent von einem einzelnen Drittland abhängen. Graphit gilt laut IPA als großes Versorgungsrisiko der europäischen Batterieindustrie. Würde der Handel mit Batteriegraphit aus China vollständig unterbrochen, wäre laut IEA nachgelagerte Produktion außerhalb Chinas von über 300 Mrd. US-Dollar jährlich gefährdet, darunter Batterien, Batteriespeicher und Elektrofahrzeuge. Raffinationsprojekte für kritische Rohstoffe außerhalb des dominierenden Lieferanten haben laut IEA um 20 bis über 150 Prozent höhere Investitionskosten. Die Zellchemie mit der Aluminium-Anode soll Graphit und Kupferfolie ersetzen und sich nach Angaben des IPA in bestehende Fertigungsprozesse integrieren lassen, ohne dass dafür eine komplett neue Fertigungsinfrastruktur erforderlich wäre.