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Stromspeicher der Zukunft

Von MANFRED LINDINGER
Foto: KIT

11.09.2019 · Deutsche Forschungszentren nehmen eine entscheidende Rolle in der innovativen Entwicklung der Batterietechnik ein. Welche Strategien und Visionen haben die Leiter der sechs größten Standorte?

Braunschweig – Die Batterie auf Knopfdruck

Arno Kwade vom Institut für Partikeltechnik der TU Braunschweig Foto: Frank Bierstedt

V on der Materialherstellung, der Verfahrens- und Fertigungstechnik zur Produktion elektrochemischer Batteriezellen bis hin zum Recycling – am Standort Braunschweig hat man den gesamten Lebenszyklus einer Lithium-Ionen-Batterie im Blick. Bei allen Produktionsschritten stehen neben Wirtschaftlichkeit, vor allem Nachhaltigkeit und Energieeffizienz im Vordergrund, sagt Arno Kwade vom Institut für Partikeltechnik der TU Braunschweig. Aus diesem Grund, werden die einzelnen Schritte bei der Elektroden- und Batteriezellproduktion mit Hilfe von Data-Mining und Simulationen modelliert, optimiert und dann in die Praxis übertragen. „So können wir schon im Vorfeld sehen, wie wir die komplizierten Prozesse, die etwa zur Herstellung der Elektroden erforderlich sind, so steuern müssen, dass sie möglichst ökonomisch und ressourcenschonend ablaufen und Elektroden und Batteriezellen mit optimaler innerer Struktur sowie bestmöglicher Performance entstehen“.


Produziert werden die Batteriesysteme, darunter auch Lithium-Schwefel- und Feststoff-Akkus, in einer Pilotanlage der Batterie-Forschungsfabrik, die auf dem Campus der TU angesiedelt ist. Hier fließen auch die Expertisen von Forschergruppen der Universitäten Clausthal und Hannover, der Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) und des Fraunhofer-Instituts für Schicht und oberflächentechnik IST zusammen.

Röntgentomographische Aufnahme einer zylindrischen Batteriezelle (links) und ein 3D Computermodell der Zelle. Foto: TU Braunschweig

In Braunschweig ist auch das Recycling von Batterien, die Wiedergewinnung wichtiger Materialien und deren Wiederverwertung ein Forschungsschwerpunkt. Hier kommt ein Verfahren zum Einsatz, das an den Universitäten in Braunschweig und Clausthal entwickelt wurde und bereits vom mittelständischen Unternehmen Duesenfeld genutzt wird: das rein mechanisch-hydrometallurgische Recycling. Die aktiven Komponenten einer zerlegten Batterie werden dabei zunächst zerkleinert und zermahlen und dann mit Säuren und Laugen behandelt. Die Metalle, einschließlich des Lithiums, fallen als Salze aus. „Wir können sogar den Elektrolyten und das Graphit der Anode wiedergewinnen, was bei der pyrometallurgischen Auftrennung in einem Hochofen nicht möglich ist“, sagt Kwade. Die Metallsalze werden direkt wiederverwendet, etwa um neue Elektroden herzustellen.

Video: Duesenfeld

Auf diese Weise schließt sich der Kreislauf in der Batteriefabrik. Auf den Import wertvoller Metalle wie Kobalt und Nickel sind die Braunschweiger Batterieforscher nicht angewiesen. Was im Labormaßstab funktioniert, könnte für Kwade Vorbild sein, sollten eines Tages in Deutschland Batteriezellen im industriellen Maßstab gefertigt werden. „Über einen geschlossenen Kreislauf wäre man weniger abhängig von Rohstoffen aus dem Ausland und von steigenden Rohstoffpreisen“, erklärt Kwade. Das wäre dann für deutsche Batterien ein echter Wettbewerbsvorteil. Noch ist auch in Braunschweig der Rücklauf recycelter Materialien gering. Sie stammen meist von Testbatterien und defekten Akkus. Das könnte sich nach Meinung von Kwade in zehn bis fünfzehn Jahren ändern, wenn mehr und mehr E-Autos auf den Straßen fahren und der erste Schwung Batterien das Lebensende erreicht haben.


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Dresden – Batteriezellen aus dem Chemiebaukasten


Dresden – Batteriezellen aus dem Chemiebaukasten

Stefan Kaskel vom Institut für Chemie an der TU Dresden und Geschäftsfeldleiter Chemische Oberflächen- und Reaktionstechnik am Fraunhofer-Institut IWS Foto: Martin Förster

A uch am Standort Dresden forscht ein vom Bund geförderter Exzellenzverbund der TU Dresden gemeinsam mit mehreren Fraunhofer- und Leibniz-Instituten an der Entwicklung von Batterien der nächsten Generation. Dort versucht man, den Anteil an wertvollen Materialien in den Lithium-Ionen-Akkus so gut es geht zu verringern, ohne dass die Energiedichte Einbußen erleidet. „Wir verfolgen zwei Ansätze: Die Reduktion des Kobaltanteils zugunsten des Nickelanteils in den Kathoden und die Verwendung neuer günstiger Materialien“, erklärt der Verbundkoordinator Stefan Kaskel vom Institut für Chemie an der TU-Dresden die Arbeiten am Fraunhofer-Institut für Werkstoff und Strahltechnik IWS.


Ein großes Potential sieht man in der Verwendung von Schwefel als Kathode. „Schwefel ist ein Abfallprodukt der chemischen Industrie. Und keiner weiß so richtig, etwas damit anzufangen“. Die Lithium-Schwefel-Batterie wäre nach Ansicht von Kaskel eine innovative Anwendung. Dieser Batterietyp besitzt eine höhere Kapazität, vor allem eine höhere spezifische Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien. In Kaskels Labor am IWS wurden bereits Dichten von bis zu 400 Kilowattstunden gemessen. Kopfzerbrechen bereitet noch die Langzeitstabilität. Von rund 200 Zyklen an nimmt die Leistungsfähigkeit ab. „Unser Ziel sind 2000 bis 3000 Lade- und Entladezyklen“. Dann könnte der Lithium-Schwefel-Akku in die Anwendung. Diese sieht Kaskel aber eher in der stationären Stromspeicherung, bei Drohnen und Satelliten, und weniger bei E-Autos. Der Grund: Schwefel-Akkus benötigen derzeit noch vergleichsweise viel Platz und der ist in PKW begrenzt.

Mittels IWS-Schmelzabscheidung hergestellte Lithiumschicht auf Kupferfolie: Das Verfahren erlaubt bereits jetzt die Herstellung von Prototypzellen mit 5 bis 30 Mikrometer dünnen Lithiumanodenschichten. Foto: Fraunhofer IWS Dresden

Auf der Anodenseite setzen die Dresdner Forscher auf Silizium. In die Halbleiterelektrode können mehr von der Kathode kommende Lithium-Ionen eingelagert werden, als in eine gewöhnliche Graphitelektrode. Dadurch würde sich die Kapazität eines Lithium-Ionen-Akkus, aber auch einer Festkörper-Batterie, mehr als verdoppeln. Die Elektrode lässt sich zudem viel dünner fertigen, wodurch man Volumen und Gewicht spart – wichtige Faktoren für die E-Mobilität. Schwierigkeiten bereiten Atmungseffekte und Reaktionen mit den Elektrolyten, was sich auf die Lebensdauer der Batterie auswirkt. „Mit besonderen Schutzschichten und weniger aggressiven Elektrolyten versuchen wir hier weiterzukommen“. Bei der Fertigung der Elektroden bestreitet man in Dresden einen eigenen Weg. „Die Materialien werden bei uns als dünne Filme auf Kupfer- oder Aluminiumfolien aufgepresst und verklebt. Dadurch kommen wir ohne giftige Lösungsmittel aus“.

Ein Batteriepaket für das E-Auto. Es besteht aus vielen aneinander gereihten Lithium-Ionen-Zellen. Foto: Fraunhofer IWS Dresden

Kaskel hofft, dass auch die organischen Elektrolyte durch ungiftige Elektrolyte auf Wasserbasis ersetzt werden können, vorausgesetzt die Energiedichte stimmt. „Das wäre ein weiterer Schritt in Richtung ‚grüne‘ Batterie.“ Doch müsse man immer bedenken, dass das, was im Labor entwickelt wird, auch später in der Großfertigung auf großen Skalen günstig und in guter Qualität hergestellt werden muss.


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Itzehoe – Die Vision einer „grünen“ Batterie


Itzehoe – Die Vision einer „grünen“ Batterie

Andreas Würsig ist stellvertretender Geschäftsfeldleiter „Leistungselektronik“ und Gruppenleiter „Batteriesysteme für Spezialanwendungen“ am Fraunhofer-Institut ISIT Foto: ISIT

D ie Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkummulatoren, die für die jeweilige Anwendung maßgeschneiderte Eigenschaften besitzen, haben sich die Batterieforscher in Itzehoe auf die Fahne geschrieben. „Dazu bedienen wir uns eines Baukastens unterschiedlichster Materialien und elektrochemischer Systeme, die wir je nach Anforderung und Anwendung miteinander kombinieren“, sagt Andreas Würsig vom Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT.


Eine Spezialität der Forscher am ISIT: Hochleistungsspeicher, die innerhalb kurzer Zeit – der Institutsrekord liegt bei einer Minute – ihre gespeicherte Energie auf einen Schlag abgeben, etwa für die Start-Stopp-Automatik in PKWs. Aber auch elektrochemische Langzeitspeichersysteme mit 15.000 und mehr Lade- und Entlade-Zyklen, die sich mindestens 20 Jahre lang ohne Alterungserscheinung sicher betreiben lassen, stehen auf der Agenda. „Solche zuverlässige Batterien sind besonders in der Medizintechnik und in der stationären Energiespeicherung gefragt,“ erklärt Würsig. Wegen ihrer geringeren Energiedichte kommen sie aber nicht unbedingt als Stromquelle für E-Fahrzeuge in Frage. „Es gibt nicht die Batterie, die alles kann“.

Lithium-Polymer-Akkumulatorzellen für Hochleistungsanwendungen Foto: Fraunhofer ISIT

Beim Design, der Entwicklung und Fertigung stehen Energieeffizienz, Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit auch in Itzehoe an oberster Stelle. Das beginnt bereits bei der Entwicklung von Separatoren, die in jeder Lithium-Batterie die Anode von der Kathode trennen, damit es nicht zum Kurzschluss kommt. Diese Materialien müssen gut mit dem Elektrolyten benetzbar und für Lithium-Ionen gut durchlässig sein, erklärt Würsig. Die Forscher setzen auf eine Kombination aus einem Polymer und einer für Lithium-Ionen gut leitfähigen Keramik. „Dadurch können wir den Separator schon während der Fertigung als hauchdünne Schicht auf die Elektroden aufbringen.“ Das reduziere den Anteil an nichtaktiven Materialien, was sich wiederum positiv auf die Energiedichte der fertigen Batterie auswirke, spare aber auch Arbeitschritte und senke Kosten. „Die dürfen wir neben der Qualität nicht vergessen, wollen wir eines Tages konkurrenzfähige Batterien bauen.“ Eine Vision des Forschers: Batterien, vollständig gefertigt mit der Energie aus erneuerbaren Quellen.

Künftige Batterien werden in Deutschland möglicherweise mit dem Strom von Windkraftanlagen gefertigt und geladen. Zu sehen ist hier der Offshore-Windpark Butendiek. Foto: dpa

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München – Warum jede Batterie altert


München – Warum jede Batterie altert

Hubert Gasteiger, Leiter des Lehrstuhls Technische Elektrochemie an der TU München Foto: Eric de Vries

E ine Batterie altert, weil sich durch häufiges Auf- und Entladen die Aktivmaterialien und der Elektrolyt einer Batterie zersetzen. Kapazität und Energiedichte nehmen dadurch allmählich ab, während der innere Widerstand steigt. Aufgrund der hohen Stromstärken beim Schnellladen von Lithiumbatterien kann zudem eine unerwünschte Lithiummetallabscheidung auf der negativen Elektroden stattfinden, die zu unerwünschten chemischen Reaktionen führt, die den Elektrolyten irreversibel schädigen. Ein weiterer Alterungsgrund: Hohe Außentemperaturen, die die elektrochemischen Reaktionen in der Batterie beschleunigen. „Die bisherigen Fortschritte bei der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien sind vornehmlich durch empirische industrielle Forschung erzielt worden. Um diese Technologie zu verbessern und alternative Batterietechnologien zu entwickeln, sind detailliertere Einblicke in die Funktions- und Alterungsmechanismen notwendig“, sagt Gasteiger.


Mit einer Reihe spektroskopischer und analytischer Verfahren untersuchen Gasteiger und seine Kollegen Andreas Jossen vom Lehrstuhl „Elektrische Energiespeichertechnik“ und Ralph Gilles von der Neutronenforschungsquelle FRM II, welche Parameter die Alterung und die Lade-Entladegeschwindigkeit beeinflussen und wie stark. Dabei analysieren sie eigens gebaute Versuchszellen, basierend auf Lithium-Ionen-Technik, und großformatige Batteriezellen auf Grundlage von noch in der Entwicklung befindlicher Materialien, die am von Gunther Reinhart und Michael Zäh geführten Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der TUM produziert werden.

Nach längerem Betrieb bilden sich auf der Lithium-Anode (grün) unerwünschte Reaktionsprodukte (rot). Diese können im Laufe der Zeit die Leistungsfähigkeit eines Lithium-Akkus reduzieren und sogar Kurzschlüsse hervorrufen. Foto: Helmholtz-Zentrum Berlin

Die Hauptziele: ein besseres Verständnis der Alterungsvorgänge in kommerziellen Batterien wie auch in Batterien mit neuen Materialien, verlässliche Prognosen über die zu erwartende Lebensdauer einer Batterie und Strategien für die Second-Life-Nutzung. Denn viele vermeintlich „alte“ Batterien sind zum Recyceln zu schade. Nach einer Karriere als Autobatterie bietet sich oft ein zweites Leben als stationärer Stromspeicher an, wo es weniger um Lade- und Entladegeschwindigkeiten oder Energiedichten geht.

Die Produktion von Lithium-Ionen-Akkus an der TU-München Foto: Heddergott

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Ulm – Was kommt nach dem Lithium-Akku?


Ulm – Was kommt nach dem Lithium-Akku?

Maximilian Fichtner, Direktor des Helmholtz-Instituts Ulm Foto: HIU

N och bevor die Elektromobilität so richtig an Fahrt aufgenommen hat, sorgen sich bereits viele Batteriebauer um die Verfügbarkeit von Lithium und Kobalt. Um einem Versorgungsengpass und damit einhergehenden steigenden Weltmarktpreisen zuvor zukommen, wird vielerorts bereits an Post-Lithium-Systemen getüftelt, die weniger oder keine kritischen Rohstoffe enthalten, aber auch teilweise höhere Kapazitäten und Energiedichten versprechen. Die Hoffnungsträger heißen – entsprechend der Ionen, die zwischen Plus- und Minuspol hin und her wandern – Natrium-, Magnesium- oder Kalzium-Batterien.


„Der Natrium-Akku wird in zwei bis drei Jahren auf den Markt kommen, etwa als stationärer Energiespeicher.“ sagt Maximilian Fichtner vom Helmholtz-Institut Ulm (HIU), einem der führenden Batterieforschungszentren Europas. Etwas länger dauern wird es seiner Ansicht nach bei den anderen Batterietypen wie der Magnesium-Batterie.

Zwei Forscher montieren am Karlsruher Institut für Technologie KIT Magnesium-Batterien in zwei Handschuhboxen unter einer Argon-Schutzgas-Atmosphäre. Foto: Laila Tkotz/KIT

„Hier haben wir noch einige Probleme zu lösen“. So sucht man nach Elektrolyten, die nicht mit dem Erdalkalimetall reagieren und auf den Elektroden keine passivierende Schichten bilden, die verhindern, dass sich die von der Kathode kommenden Ionen einlagern können. Zudem dürfen die Elektrolyten die Mobilität der Magnesium-Ionen wegen der höheren Ladung nicht einschränken.

„Wir brauchen hier neue Ansätze für die Post-Lithium-Batterien“. An ihnen arbeiten in Ulm und in Karlsruhe am Institut für Technologie (KIT) rund zweihundert Forscher in der neu gegründeten gemeinsamen Forschungsplattform „CELEST“. Großes Potential sieht Fichtner auch in Feststoffbatterien, deren Entwicklung das HIU ebenfalls vorantreibt. Sie versprechen höhere Speicherkapazitäten als klassische Lithium-Ionen-Akkus und hätten wegen des nichtbrennbaren festen Elektrolyten auch kein Sicherheitsproblem.

„Was aber jetzt vor allem passieren muss, ist der Aufbau von Produktionskapazität für Lithium-Ionen-Batterien in Deutschland, wollen wir mit China konkurrieren. Wir wissen mittlerweile sehr gut, wie man Batteriezellen in hoher Qualität und auch kostengünstig herstellt.“ Am Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm, das ebenfalls Partner in CELEST ist, steht die größte Pilotfertigungsanlage für Zellen im Industrieformat Europas. „Wir entwickeln hier zusammen mit der Industrie neue Wege zur Batterieproduktion.“

Vollautomatischer Elektroden-Wickler im ZSW-Labor für Batterietechnologie (eLaB). Foto: ZSW

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Münster – Batteriezellen Made in Germany


Münster – Batteriezellen Made in Germany

Martin Winter, Leiter des Forschungszentrums MEET und des HI MS Foto: Judith Kraft

D ie Entwicklung von Elektrodenmaterialien und Elektrolyten, die Fertigung von Batteriezellen in allen Größen und Formen, einschlägige Sicherheits- und Alterungstests bis hin zum schonenden Recycling alter Batterien mit überkritischem Kohlendioxid und der möglichst lückenlosen Wiedergewinnung wertvoller Materialien – kein Bereich der Batterieforschung, der am Standort Münster nicht angegangen wird. Die Hauptaktivitäten in Nordrhein-Westfalen werden von Instituten der Universitäten Münster und Aachen sowie des Forschungsinstituts Jülich getragen, die das Helmholtz-Institut Münster gegründet haben.


Jeder Partner hat sein Spezialgebiet. So treibt man in Jülich unter anderem die Festkörper-Batterie voran und entwickelt dafür – gemeinsam mit Münster – Lithiummetall-Elektroden und solide, nicht brennbare Elektrolyte. An der RWTH Aachen liegt die Expertise in Batteriesystemen, Produktionsverfahren und deren Umsetzung in die Praxis. In Münster liegen die Schwerpunkte in der Material- und Zellentwicklung.

Video: WWU Münster

Mehr als 50 Prozent aller Aktivitäten drehen sich am Standort Münster um die Lithium-Ionen-Batterie. „Wir können Lithium-Ionen-Akkus nicht ersetzen. Es gibt derzeit einfach nichts besseres und eine Batterie der Zukunft wird der Lithium-Ionen-Akku auch bleiben“, sagt Martin Winter von der Universität Münster und Leiter des dort angesiedelten Batterie-Forschungszentrums MEET und des Helmholtz-Instituts Münster. Doch es gibt noch viele Stellschrauben für die Forscher, um Kapazität, Energiedichte, Lebensdauer, Sicherheit und Ladezeit zu optimieren und günstigere Zellkomponenten herzustellen.

Winter sieht Deutschland in der Batterieforschung im internationalen Vergleich recht gut aufgestellt. Woran es hapere, sei die industrielle Umsetzung. Noch immer ist es hierzulande schwer, Forschungsergebnisse als Innovationen schnell an die Industrie zu bringen. Doch es gibt Grund zur Hoffnung: Die Forschungsfabrik zur Batteriefertigung, die in Münster errichtet wird und für ganz Deutschland als Plattform dienen soll, hat das Potential, die Voraussetzungen für in Großserie gefertigte Batteriezellen „Made in Germany“ zu schaffen.

An vielen Standorten in Deutschland wie hier an der Technischen Universität München sind Pilotanlagen zur Batteriezellfertigung in Betrieb. Dort werden bislang nur Prototypen für Forschungszwecke gefertigt. Foto: TU München
Quelle: F.A.Z.