Wie sieht die ideale Batterie aus? Aktuelle Entwicklungen in der Übersicht

Übersicht Batterieforschung Wie sieht die ideale Batterie aus? Aktuelle Entwicklungen in der Übersicht

11.06.2019Autor Dipl.-Medienwirt (FH) Matthias Back

Elektroautos sind auf leistungsfähige Batterien angewiesen und im Zuge der Energiewende werden massenweise stationäre Energiespeicher benötigt. Zeitgleich verlangt aber auch die zunehmende Ressourcenknappheit einen nachhaltigen Umgang mit den Rohstoffen unserer Erde. Forschungsprojekte rund um das Thema Batteriespeicher gibt und gab es daher einige. PROCESS hat für Sie recherchiert und stellt einige Projekte und Förderinitiativen kurz vor.

Anbieter zum Thema

CEA Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies Alternatives

Uppsala University Department of Chemistry - Angström Laboratory, Structural Chemistry

Fraunhofer-Inst. für Integrierte Systeme und Bauelemente (IISB)

Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS)

Fraunhofer-Gesellschaft z.För. d. angewandten Forschung e.V.

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PROCESS hat recherchiert und stellt den aktuellen Stand der Technik in der Batterieforschung vor.
(Bild: Phototmorphic/Rawpixel.com/Adobe Stock)

Würzburg – Im Bereich der Batterieforschung tut sich aktuell sehr viel. Egal ob Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung, das Forschungszentrum Jülich, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) oder auch die Europäische Union – sie alle befassen sich eingehend mit dem Thema.

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Funktionsprinzip einer Lithium-Schwefel-Batteriezelle. Mavo Liscell-Projekt: Elektroautos oder auch Photovoltaik-Anlagen sind derzeit deswegen so teuer, weil es an effizientem Speicher für die elektrische Energie mangelt. Herkömmliche und momentan noch verwendete Lithium-Ionen-Zellen haben eine Energiedichte von 150 Wh/kg. Im Rahmen des Mavo Liscell-Projekts werden Batteriezellen auf Grundlage neuer Kathoden, Elektrolyten und Anoden entwickelt. Die spezifische Energiedichte dieser Lithium-Schwefel-Batteriezellen sollen bei mehr als dem vierfachen der Lithium-Ionen-Zellen liegen.

Thermische Charakterisierung einer Pouchzelle. Mavo Liscell-Projekt: Elektroautos oder auch Photovoltaik-Anlagen sind derzeit deswegen so teuer, weil es an effizientem Speicher für die elektrische Energie mangelt. Herkömmliche und momentan noch verwendete Lithium-Ionen-Zellen haben eine Energiedichte von 150 Wh/kg. Im Rahmen des Mavo Liscell-Projekts werden Batteriezellen auf Grundlage neuer Kathoden, Elektrolyten und Anoden entwickelt. Die spezifische Energiedichte dieser Lithium-Schwefel-Batteriezellen sollen bei mehr als dem vierfachen der Lithium-Ionen-Zellen liegen.

Lithium-Schwefel-Pouchzelle. Mavo Liscell-Projekt: Elektroautos oder auch Photovoltaik-Anlagen sind derzeit deswegen so teuer, weil es an effizientem Speicher für die elektrische Energie mangelt. Herkömmliche und momentan noch verwendete Lithium-Ionen-Zellen haben eine Energiedichte von 150 Wh/kg. Im Rahmen des Mavo Liscell-Projekts werden Batteriezellen auf Grundlage neuer Kathoden, Elektrolyten und Anoden entwickelt. Die spezifische Energiedichte dieser Lithium-Schwefel-Batteriezellen sollen bei mehr als dem vierfachen der Lithium-Ionen-Zellen liegen.

Das Prinzip einer Bipolarbatterie. Embatt-Projekt: Auch hier steht ein Batteriekonzept mit dem Einsatzbereich E-Mobilität im Vordergrund. Ziel von Embatt ist es mittels eines bipolaren Ansatzes bei der Anordnung der Batteriezellen eine Laufleistung von 1000 Kilometern pro Aufladung zu realisieren. An dem Projekt sind u.a. auch Thyssen Krupp System Engineering und IAV Automotive Engineering beteiligt.

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Nachfolgend eine Auswahl an Förderinitiativen:

Fraunhofer-Allianz Batterien: Zusammenschluss von 19 Fraunhofer-Instituten zur Bündelung ihrer Kompetenzen auf dem Feld der leistungsfähigen Batterien.

Förderinitiative Energiespeicher: Forschungsinitiative der Bundesregierung in Leitung des Forschungszentrums Jülich (Projektträger) mit dem Schwerpunkt Speichertechnologien.

Forschungsfabrik Batterie: Das BMBF stellt 500 Millionen Euro für die industrielle Batteriezellenforschung zur Verfügung.

Battery 2030+: Europäische Initiative zur Erforschung leistungsstarker Batterien. Beteiligt sind 34 Forschungsinstitute weltweit.

European Battery Alliance: Diverse Forschungsprojekte der EU und weiterer 120 Interessensgruppen rund um das Thema Batterien.

Nachfolgend eine Sammlung einzelner Forschungsprojekte:

Materialforschung für höhere Energiedichte:

Mavo Liscell-Projekt: Elektroautos oder auch Photovoltaik-Anlagen sind derzeit deswegen so teuer, weil es an effizientem Speicher für die elektrische Energie mangelt. Herkömmliche und momentan noch verwendete Lithium-Ionen-Zellen haben eine Energiedichte von 150 Wh/kg. Im Rahmen des Mavo Liscell-Projekts werden Batteriezellen auf Grundlage neuer Kathoden, Elektrolyten und Anoden entwickelt. Die spezifische Energiedichte dieser Lithium-Schwefel-Batteriezellen sollen bei mehr als dem vierfachen der Lithium-Ionen-Zellen liegen.

Sepalis-Projekt: Auch das Projekt befasst sich mit Lithium-Schwefel-Batterien, allerdings aus dem Blickwinkel der Lebensdauer. Diese ist aktuell noch recht gering und verhindert somit einen kommerziellen Einsatz in Elektrofahrzeugen. Ziel des Sepalis-Projektes ist ein neues Konzept für Separatoren, Kathoden und Zelldesign. Die Prototypzelle soll 500 Ladezyklen aufweisen sowie eine Energiedichte von 400 Wh/kg.

Projekt zur Erforschung des Spannungsabbaus im Lithium-Ionen-Akku: Auch an den aktuell noch stark genutzten Lithium-Ionen-Batterien wird intensiv geforscht. Da Kosten und Gesamtleistung von Lithium-Ionen-Batterien weitestgehend vom Kathodenmaterial abhängen, versuchen Wissenschaftler das kritische Kobalt durch nickelreiches NCM (NCM steht für Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan) zu ersetzen. Um den Kapazitätsverlusten und Überhitzungsproblemen vorzubeugen, arbeiten die Wissenschaftler an einer Art Kern-Schale-Zusammensetzung.

Unibat-Projekt: Dieses Projekt wird vom BMBF gefördert und steht für Untersuchungen irreversibler Änderungen in Festkörper-Batterien (kurz Unibat). Festkörper-Batterien sind im Vergleich zu den gängigeren Lithium-Ionen-Batterien umweltfreundlicher, wärmeunempfindlicher und können im Vergleich mehr Energie speichern. Um jedoch kommerzieller genutzt zu werden, müssen Probleme wie die geringe Stromstärke sowie die Kapazitätsverluste beim Laden und Entladen in den Griff bekommen werden.

Einige Elemente des Periodensystems könnten uns in absehbarer Zukunft nicht mehr zur Verfügung stehen. (gemeinfrei)

Neue Batterietechnologien

Transition-Projekt: An dem Projekt Transition sind Forscher des Helmholtz-Institut Ulm, dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg und der Friedrich-Schiller-Universität Jena beteiligt. Ziel des Projektes ist die Entwicklung leistungsfähiger, flüssiger und polymerer Natrium-Ionen-Batterien. Mit einer Energiedichte von 12 bis 24 Wh/l haben Natrium-Ionen-Batterien (auch Salzbatterien genannt) eine vergleichsweise niedrigere Leistungsfähigkeit und sind eher ungeeignet was die Elektromobilität oder Smartphone-Nutzung angeht. Dennoch lohnt sich die Forschung in diesem Bereich, da Natrium-Ionen-Batterien günstiger in der Herstellung sind und Natrium zudem deutlich nachhaltiger als Lithium ist.

Embatt-Projekt: Auch hier steht ein Batteriekonzept mit dem Einsatzbereich E-Mobilität im Vordergrund. Ziel von Embatt ist es mittels eines bipolaren Ansatzes bei der Anordnung der Batteriezellen eine Laufleistung von 1000 Kilometern pro Aufladung zu realisieren. An dem Projekt sind u.a. auch Thyssen Krupp System Engineering und IAV Automotive Engineering beteiligt. Erste Tests sind für 2020 geplant.

Masak-Projekt: Hochleistungsakkus mit vielen Ladezyklen, einer langen Lebensdauer und obendrein noch zu konkurrenzfähigen Preisen waren das Ziel des Masak-Projekts. Statt auf Lithium-Ionen setzten die Wissenschaftler für diese Akkus auf zweiwertige Magnesium-Ionen als Energiespeicher.

In diesem Beitrag erfahren Sie unter anderem, welche Nation mehr Geld für Forschung und Entwicklung in der Chemie ausgibt, als die gesamte Europäische Union. (Adobe Stock/Indy_Looker)

Hinweis der Redaktion: Dieser Beitrag wird regelmäßig überarbeitet und auf den neuesten Stand gebracht. Des Weiteren wird der Artikel in den kommenden Wochen um die Themengebiete Batteriesysteme (Stichwort Redox-Flow, Intelekt, MIBZ oder auch Fest Batt) und Zellproduktion erweitert.

Sie kennen weitere Förderinitiativen oder Forschungsprojekte, dann schreiben Sie uns eine E-Mail an matthias.back[at] vogel.de und ich füge die Initiative oder das Projekt gerne ein.

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