Innovative Weiterentwicklung von Hochleistungsbatterien

Hochleistungsbatterien, die schnell aufladen, eine lange Lebensdauer besitzen und gleichzeitig eine hohe Energiedichte gewährleisten. Mit diesem Ziel startete Anfang Mai das deutsch-französische Verbundprojekt HiPoBat – High Power Batteries, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung auf deutscher Seite gefördert wird. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung leistungsstarker Festkörperbatterien, die den ökologischen, geopolitischen und wirtschaftlichen Druck auf dem Gebiet der elektrochemischen Energiespeicherung verringern können. Das Forschungszentrum Jülich koordiniert das Projekt mit einer Laufzeit von drei Jahren.

Kombination aus hoher Leistungsdichte und angemessener Energiedichte

Wichtige Eigenschaften von Batterien sind Energiedichte und Leistungsdichte. Die Energiedichte gibt an, wie lange eine Batterie verwendet werden kann, bevor sie wieder aufgeladen werden muss. Die Leistungsdichte hingegen ist ein Maß dafür, wie schnell eine Batterie Energie bereitstellen und abgeben kann. Eine generelle Schwierigkeit besteht nun darin, hohe Leistungsdichte mit einer angemessenen Energiedichte zu kombinieren.

Hochleistungsbatterien haben verschiedene Einsatzgebiete. In der Elektromobilität beispielsweise könnten sie eine Alternative zu Batterien mit immer höherer Energiedichte bieten. Die Elektroautos hätten dann zwar vielleicht nur eine Reichweite von 300 Kilometern, wären aber in unter 10 Minuten wieder aufgeladen. Sie können auch als kleine Batterie in Hybridfahrzeugen den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen unterstützen und die Energie beim Bremsen wiedergewinnen. Auch für kabellose Elektrowerkzeuge sind sie unverzichtbar. Darüber hinaus sind sie für viele Anwendungen zur Lastverteilung im stationären Betrieb erforderlich, etwa für unterbrechungsfreie Stromversorgungen. Diese liefern bei Stromausfällen und Spannungseinbrüchen Strom und sind bedeutend für die Erhaltung von Computerspeichern, industrielle Prozesse, Kommunikation, lebenswichtige Systeme, Sicherheitssysteme und die Stabilisierung von Stromnetzen.

All diese Anwendungen erfordern eine ausreichende Energiedichte mit einer hohen Leistungsfähigkeit sowohl im Lade- als auch im Entlademodus – ein Dilemma, das die deutschen und französischen Wissenschaftler*innen im Verbundprojekt bewältigen möchten. Hierbei untersuchen sie vor allem, wie sich Ionen und Elektronen während des Aufladens und Entladens in der Batterie verhalten und wie sich die Zellen dabei erwärmen. Der Stand der Technik der aktuellen Lithium-Ionen und Natrium-Ionen-Technologie mit flüssigen Elektrolyten wird als Referenz betrachtet. Neue Materialien, neue Zelldesigns und ein besseres Verständnis für den Alterungsprozess von Batterien sollen es ermöglichen, Lithium- und Natrium-basierte Festkörperbatterien mit hoher Leistung zu entwickeln.

Verfügbarkeit von Ressourcen im Blick

Neben den intrinsischen Eigenschaften der Materialien wie der ionischen und elektronischen Leitfähigkeit und Form und Größe der Partikel spielt auch das Design der Elektroden eine entscheidende Rolle für die endgültige Leistungsfähigkeit der Batterie. Dafür werden insbesondere multiskalige Modellierungsansätze, angepasste Herstellungsverfahren und 3D-mikroskopische Methoden benutzt.

Zusätzlich haben die Wissenschaftler*innen im Projekt HiPoBat die Verfügbarkeit von Ressourcen im Blick. Viele Rohstoffe in herkömmlichen Batterien werden aus kritischen Ländern importiert. Der Wunsch nach technologischer Souveränität und Nachhaltigkeit hat dazu geführt, dass das Interesse insbesondere an Natriumbatterien gestiegen ist. Natrium ist ein häufiges Element, das beispielsweise im Speisesalz enthalten ist. Eine Technologie ohne Kobalt, Nickel, Graphit und Lithium würde die Umwelt schonen, den Druck auf die Politik verringern und die deutsch-französische Wirtschaft stärken.

Das Projekt HiPoBat wird auf deutscher Seite von Prof. Dr. Olivier Guillon, IEK-1 des Forschungszentrums Jülich und Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster und Helmholtz-Institut Münster (IEK-12; HI MS) des Forschungszentrums Jülich sowie auf französischer Seite von Dr. Mathieu Morcrette, Université de Picardie Jules Verne, und Prof. Dr. Jean-Marie Tarascon, Collège de France, koordiniert. Am Projekt beteiligt sind außerdem unter anderem Dr. Markus Börner und Dr. Johannes Kasnatscheew vom MEET Batterieforschungszentrum sowie Dr. Isidora Cekic-Laskovic, Dr. Mariano Grünebaum und Dr. Gunther Brunklaus vom Helmholtz-Institut Münster.