Know-how für bessere Batterien

Batterien sind eine der Schlüssel­techno­logien der Energie­wende. Ohne leistungs­starke Energie­speicher kann der Über­gang von fossilen Brenn­stoffen zu regene­rativen Energien nicht gelingen. Leistungs­fähiger, lang­lebiger und leichter sollen sie sein. Im Labor funktio­nieren die Batterien der nächsten Generation bereits. Doch Fest­körper­zellen in einem größeren Maßstab zu bauen, sodass sie verläss­lich Autos oder auch Flugzeuge antreiben, ist eine ganz andere Heraus­forderung. An alltags­taug­lichen Lösungen arbeiten Forscher in der U Bremen Research Alliance mit Hochdruck.

Julian Schwenzel war seiner Zeit voraus: Als der Physiker vor zwanzig Jahren über Batterien promo­vierte, interes­sierte sich kaum jemand für die elektro­chemische Speicherung von Energie. Schwenzel war zunächst im Anlagenbau tätig, für Batterie­fachleute gab es wenige Jobs. Heute ist er Abteilungs­leiter für elektrische Energie­speicher am Fraun­hofer-Institut für Fertigungs­technik und angewandte Material­forschung und leitet ein Team mit 22 Mitarbeitern. „Die Mannschaft“, sagt er, „wächst konti­nuier­lich. Wir brauchen ständig mehr Labor­fläche, mehr Platz.“

Fabio La Mantia hat Im Fachgebiet „Energie­speicher- und Energie­wandler­systeme“ des Fach­bereichs Produktions­technik der Universität Bremen eine Brücken­professur inne, die 2015 in Kooperation mit dem Fraunhofer-IFAM ins Leben gerufen worden ist. Beide Institu­tionen, die Universität und das Fraunhofer-IFAM, sind Mitglieds­einrich­tungen der U Bremen Research Alliance. Während La Mantia Grund­lagen­forschung betreibt, stehen bei Schwenzel die Anwendungen im Vorder­grund. Beide arbeiten eng zusammen. „Wir teilen uns die Labore, ergänzen uns super in unseren Kompetenzen, profitieren gegen­seitig vonein­ander“, so Schwenzel.

Wie können die Energie- und Leistungs­dichte erhöht, die Lade­fähig­keit und Lebens­dauer verbessert, die Sicher­heit und die Kreis­lauf­fähig­keit vergrößert werden – das sind einige der Fragen, an denen die Arbeits­gruppen forschen. „Wir arbeiten in zwei Richtungen“, erzählt Schwenzel, „und zwar an der intelli­genten Über­wachung der Batterien mithilfe von Algo­rithmen und an neuen Materialien.“

Die etablierten Lithium-Ionen-Batterien, wie sie in Autos, Laptops und Handys seit Langem verbaut werden, nutzen flüssige Elektrolyten als Leiter für elektrischen Strom. Ihr Nachteil: Sie sind brennbar, ihr Potenzial ist weit­gehend ausgeschöpft. „Fest statt flüssig“, lautet deshalb die Devise. Erprobt werden Festkörper als Leiter, wie Sulfide oder Polymere. Sie sind nicht entflammbar, verfügen über eine hohe Energie­dichte und lassen sich zudem besser verarbeiten.

„Die Materialklassen haben unterschiedliche Eigen­schaften“, erläutert Schwenzel. Polymere etwa lassen sich gut bearbeiten, Sulfide schneller laden und entladen. Das ist wichtig für die Automobil­industrie, die zu den Kunden des Fraun­hofer-IFAM zählt, allerdings sind Sulfide feuchtig­keits­empfindlich. Im Labor haben die Forscher die unter­schied­lichsten Material- Rezepturen erprobt. Im Kleinen arbeiten die Fest­körper­batterien perfekt. Sie im Groß­maßstab herzu­stellen, sei jedoch eine ganz andere Welt, so Schwenzel: „Da geht es um Zigtausende von Beschichtungen für mehrlagige verschaltete Einzel­zellen zu einem Gesamt­batterie­system. Das kann im Moment noch niemand leisten.“

Um elektrochemische Systeme bauen zu können, ist ein enormes Know-how nötig. „Die Prozess­kette – vom Pulver bis zur Zelle – ist komplex. Die Elektro­chemie ist schwierig zu kontrol­lieren, das darf man nicht unter­schätzen“, betont Schwenzel. Batterien haben ein Eigen­leben: Sie altern, jede ist anders und kleine Verunreini­gungen in der Produktion können einen großen Einfluss auf die Lebens­dauer haben.

Die Analyse der Batterie ist eine der Expertisen von La Mantia. Seine Arbeits­gruppe hat eine Methode entwickelt, die Schwach­stellen einer Batterie im Betrieb identi­fiziert und ihre Lebens­dauer prognos­tiziert – unabhängig von der Art des Leiters. „Im Grunde“, sagt er, „geht es darum, eine Batterie besser zu verstehen und sie zu optimieren.“ Das geschieht etwa durch eine permanente Erfassung der Daten. „Wir sprechen von dynamischer Frequenz­analyse“, so La Mantia.

Der Forscher hat sich auch dem Lithium-Problem gewidmet. Das Metall ist eines der wichtigsten Rohstoffe für Batterien. Die Nachfrage nach Lithium insbesondere durch die Auto­industrie wird in den kommenden Jahren regel­recht durch die Decke gehen, es wird knapp und gefördert wird es nur in wenigen Ländern unter oft schwierigen Bedingungen. „Die Frage ist: Können wir Technologien finden, die nicht auf Lithium basieren, die nach­haltiger und kosten­günstiger sind?“, so La Mantia. Geforscht wird etwa an Akkus auf Zinkbasis, die insbesondere für stationäre Anwendungen wie die Speicherung von Solar­energie interes­sant sind – oder auch an Metall-Luft-Batterien.

Für das Lithium-Problem gibt es noch einen weiteren Ansatz­punkt: die Gewinnung des Rohstoffs in Deutschland. Lithium kommt in der Natur in Form von Salzen vor. La Mantia und seine Arbeits­gruppe haben einen Weg gefunden, wie das Metall aus geo­ther­mischen Quellen und aus Abwasser extrahiert werden kann. Ähnlich wie bei den Feststoffbatterien funktioniert das Verfahren im Labor bereits, auch hier ist das Upscaling die Heraus­forderung. „Wir sind darüber bereits im Gespräch mit Unter­nehmen“, erzählt er. „Das Recycling ist für uns ein ganz großes Thema“, ergänzt Schwenzel. So arbeiten die Forscher an verschiedenen Verfahren, wie Batterien zerlegt und Rohstoffe wieder­ge­wonnen werden können.

Der Batterie-Sektor boomt. Weltweit forschen Wissen­schaftler an einer neuen Generation von Batterien. Doch Schwenzel fürchtet Konkurrenz nicht: „Unser Vorteil ist, dass wir unsere Expertise aus anderen Anwendungs­feldern auf die Batterie­forschung über­tragen können.“ Eine interes­sante Anwendung sei etwa das Drucken von Batterien, die dann ganz andere Formen annehmen können, jenseits der gewohnten recht­eckigen Kästen. Bis derartige Technologien im Alltag ankommen, wird es aller­dings noch einige Zeit dauern. Im Fall der Fest­stoff­batterie rechnet Schwenzel mit fünf Jahren.

U Bremen Research Alliance / RK

Weitere Infos

• U Bremen Research Alliance e.V., Universität Bremen