Große Speicherkapazitäten, kurze Ladezeiten und keine brennbaren flüssigen Elektrolyte – die Festkörperbatterie soll zukünftig sichere Elektromobilität mit großen Reichweiten ermöglichen. Im Kompetenzcluster FestBatt fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Entwicklung der nächsten Batteriegeneration mit 16 Mio. EUR. Beteiligt sind 14 wissenschaftliche Einrichtungen, koordiniert wird der Kompetenzcluster von der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU).
Der Klimawandel, die Schadstoffbelastung durch Straßenverkehr und die Endlichkeit fossiler Brennstoffe machen eine nachhaltige Energietechnologie zu einer wichtigen Zukunftsaufgabe. Insbesondere werden Speicher für regenerative Energien benötigt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten aktuell an einem Mix aus ganz unterschiedlichen Batterien, die auf den Gebrauch in Elektrofahrzeugen oder Speichern in industriellen Anwendungen und Privathaushalten zugeschnitten sind. Neben den bereits etablierten Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten im Innern der Batterie, geraten dabei zunehmend auch Batterien in den Fokus der Forschung, die auf Elektrolyten aus festen Materialien basieren.
Computertomographische Aufnahme der LIthium-Ionen-Verteilung in einer Batterieelektrode ©_DLR
„Solche Festkörperbatterien sind feuersicher und könnten zukünftig größere Speicherkapazitäten und schnellere Ladevorgänge ermöglichen“, sagt Professor Helmut Ehrenberg vom Institut für Angewandte Materialien (IAM) des KIT. Dieser Batterietyp habe deshalb das Potenzial, sowohl sichere Elektromobilität mit großen Reichweiten zu ermöglichen als auch stationär eingesetzt zu werden. Beispielsweise könnte man Festkörperbatterien auch als effektive Speicher für Strom aus privaten Photovoltaikanlagen nutzen. Um diese Ziele zu erreichen, bestehe bei der Festkörperbatterie aber noch erheblicher Forschungsbedarf.
Hier setzt der neue Kompetenzcluster für Festkörperbatterien FestBatt an. Er wird von Professor Jürgen Janek (JLU) koordiniert und umfasst alle für das Thema Festelektrolyte und Festkörperbatterien relevanten Forschungseinrichtungen in Deutschland – darunter Universitäten und Forschungszentren aus der Helmholtz-Gemeinschaft sowie der Fraunhofer-Gesellschaft.
Ziel von FestBatt ist es, grundlegendes Wissen für Festkörperbatterien zu erarbeiten sowie deren Funktionsweise im Detail zu verstehen, wissenschaftlich zu beschreiben und funktionsfähige Prototypen zu entwickeln. Mit dem Kompetenzcluster wird aber auch der Grundstein für den Aufbau und die nachhaltige Weiterentwicklung einer international führenden, wettbewerbsfähigen Batteriezellproduktion in Deutschland gelegt. Der Schwerpunkt des Kompetenzclusters liegt auf der Erforschung der benötigten Materialien sowie der für die Kommerzialisierung notwendigen Prozesstechnologie.
Wissenschaftler der Abteilung für computergestützte Elektrochemie des DLR-Instituts für Technische Thermodynamik werden dazu am Helmholtz Institut Ulm gemeinsam mit Partnern an der Technischen Universität Darmstadt, der Technischen Universität München, der Universität Münster sowie am Helmholtz Institut Münster und am Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) in einer Methodenplattform arbeiten, die Theorien und Daten rund um die Festkörperbatterie zusammenbringt.
„Wir werden vor allem computerbasierte Modelle und Simulationen entwickeln, mit deren Hilfe wir die Prozesse im Inneren von Festkörperbatterien besser verstehen und optimieren können – von der Materialebene über die Struktur der Elektroden bis hin zur Batteriezelle“, erklärt Professor Arnulf Latz, der die Abteilung für computergestützte Elektrochemie am DLR-Institut für Technische Thermodynamik und Helmholtz Institut Ulm leitet.
FestBatt besteht insgesamt aus fünf Verbundprojekten: drei Material- und zwei Methodenplattformen. In der ersten Projektphase steht die reproduzierbare Herstellung geeigneter Festelektrolyte im Fokus. „Die Auswahl kompatibler Materialien ist essenziell für das spätere Zelldesign. Die bei uns durchgeführte elektrochemische Charakterisierung liefert die wichtigsten materialspezifischen Parameter und ermöglicht so die Auswahl leistungsfähiger Materialkombinationen“, sagt Professorin Ellen Ivers-Tiffée, die gemeinsam mit Ehrenberg in der vom KIT koordinierten Methodenplattform zur Charakterisierung für FestBatt arbeitet, in der wiederum Partner aus Jülich, Gießen und Marburg eingebunden sind.
Professorin Britta Nestler (IAM), Dr. Michael Selzer (IAM) und Professor Arnulf Latz vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Helmholtz-Institut Ulm (HIU, einem vom KIT mit der Universität Ulm gegründeten Helmholtz-Institut) arbeiten in einer weiteren Methodenplattform, die sich mit Theorien und Daten rund um die Festkörperbatterie beschäftigt. Professor Michael Hoffmann (IAM) wiederum forscht in einer Materialplattform, die unterschiedliche Oxide untersucht. In einer weiteren Materialplattform entwickeln Professor Patrick Théato vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) sowie Professor Stefano Passerini und Dr. Dominic Bresser (HIU) neue polymerbasierte Festkörperelektrolyt-Systeme und untersuchen diese hinsichtlich ihrer Eignung für Festkörperbatterien – inklusive der anschließenden Hochskalierung der vielversprechendsten Systeme und der Fertigung von Lithiumpolymer-Batterien.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Kompetenzcluster FestBatt für einen Zeitraum von sechs Jahren. Koordiniert wird das Vorhaben von der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU).
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