Batterien

Batterieforschung mit Synchrotronstrahlung


 

Elektrochemische Energiespeicher

Für die Energiewende ist die Zwischenspeicherung von Energie entscheidend, da Strom aus Wind und Sonne nicht kontinuierlich erzeugt werden kann. Besonders hohe Wirkungsgrade werden in Batterien erreicht. In der Batteriefoschung geht es um wiederaufladbare elektrochemischer Energiespeicher. Die Funktionsweise einer Batterie ist auf der Webseite des POLiS-Excellenzclusters erklärt.

Forschungsziele

Batterieeigenschaften wie Ladungsdichte, Lebensdauer, Schnellaufladung, Sicherheit und Nachhaltigkeit können nur dann gezielt verbessert werden, wenn man im Detail versteht, was im Inneren einer Batterie passiert. Hier hilft die Synchrotronstrahlung, eine extrem intensive Strahlung bis in den Röntgenbereich, mit der man Prozesse im Inneren einer Batterie untersuchen kann. Je nach gewünschter Anwendung eignen sich unterschiedliche Batterietypen, die sich vor allem im Material unterscheiden. Im Alltag herrschen heutzutage in vielen Bereichen Lithium-Ionen-Batterien vor, denn sie haben eine hohe Energiedichte und Lebensdauer. Diese etablierte Technologie zu optimieren ist ein Ansatz der Batterieforschung, zu der auch Synchrotronstrahlung genutzt wird. Ihre besondere Stärke entfaltet die Nutzung von Synchrotronstrahlung bei der Untersuchung von neuen Batterietypen, die ohne das begrenzt verfügbare, teure Lithium auskommen und stattdessen zum Beispiel auf Natrium, Kalium oder Aluminium basieren.

Batterietypen

Besonders weit verbreitete Batterietypen sind die Li-Ionen-Batterie, Li-Schwefel-Batterie und die Redox-Flow-Batterie. Eine anschauliche Übersicht über diese und weitere bietet das Batteriequartett des FZ Jülich (Stand 2014), das Infoportal des "Batterieforums Deutschland" und die Webseite des BMWK zur "Wertschöpfungskette Batteriezellfertigung". Wer noch tiefer in die Materie einsteigen möchte, kann sich die Folgen des "Geladen"-Batteriepodcasts anhören oder im Transkript nachlesen.

Batterieforschung in Deutschland

Seit 2007 unterstützt das BMBF die Batterieforschung in Deutschland, s. Broschüre zum Dachkonzept „Forschungsfabrik Batterie“. Die Maßnahmen zielen unter anderem auf die Steigerung von Anzahl, Qualität und Ausstattung von elektrochemischen Kompetenzzentren. Weiterhin werden auch Batteriesysteme der Zukunft durch die Förderung von Technologien der sogenannten "Post-Lithium-Ionen-Ära" unterstützt. Ein weiterer Schwerpunkt ist der Transfer der Ergebnisse aus der Forschung in einen industrietauglichen Maßstab und schlussendlich in die industrielle Anwendung. Bisher gibt es in der "Forschungsfabrik Batterie" die Kompetenzcluster ProZell, FestBattExcellBattMat, InZePro, greenBatt, BattNutzung und AQua.

Deutsche Forschungsinstitute mit dem Schwerpunkt Batterieforschung sind das Helmholtz-Institut Münster (HI MS) und das Helmholtz-Institut Ulm (HIU), s. BMBF-Webseite dazu. Wichtig sind auch sind das MEET-Batterieforschungszentrum der Universität Münster und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), an dem sowohl Grundlagen erforscht als auch Batterien produziert werden.

Die Forschungsplattform CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe) wurde 2018 von den Partnern KIT, Universität Ulm und dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) zur strategischen Zusammenarbeit gegründet und zählt im internationalen Vergleich zu den größten Aktivitäten in der Batterieforschung. Im Exzellenzcluster POLiS arbeiten KIT, die Universität Ulm, ZSW und die Universität Gießen zusammen, um Zukunftsbatterien zu erforschen, die ohne Lithium auskommen und auf nachhaltigen Batteriematerialien basieren.

Das Kompetenznetzwerk Lithium-Ionen-Batterien e. V. (KLiB) bietet auf der Webseite des "Batterieforum Deutschland" eine Projektdatenbank an zu öffentlich geförderten Projekten in Deutschland, die sich mit wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeichern (Sekundärbatterien) befassen.

Auf europäischer Ebene gibt es in der Großforschungsinitiative Battery 2030+ das EU-Projekt "BIG-MAP" (Battery Interface Genome - Materials Acceleration Platform) zur Entwicklung nachhaltiger Batterien für die Zukunft, in dem die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) eingebunden ist. Dort wird Batterieforschung auch im "Grenoble Battery Hub" vorangetrieben.

Synchrotronstrahlung in Deutschland

Synchrotronstrahlungsquellen sind Großforschungsanlagen wie Speicherringen oder Freie-Elektronen-Lasern, in denen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigte geladene Teilchen Photonen, intensives Licht (Synchrotronstrahlung) aussenden. An diesen Großforschungseinrichtungen wird sowohl von den eigenen Wissenschafter*innen an Batterien geforscht als auch zum größten Teil durch Wissenschafter*innen aus ganz Deutschland, Europa und der Welt, die Synchrotronstrahlungsquellen für ihre Forschung nutzen - auch in Firmen, die Batterien entwickeln:

"Die Ansprüche an Stromspeichersysteme wachsen konstant. Wir gehen heute davon aus, dass wir in den kommenden zehn Jahren viele Verbesserungen und Neuentwicklungen sehen werden. Genau hier setzt unsere Forschung am Synchrotron an, denn sie hilft uns, die Prozesse in unseren Batteriezellen zu untersuchen und komplett zu verstehen. Darüber hinaus schätzen wir die Zusammenarbeit mit Expertinnen und Experten an den Forschungseinrichtungen und in Universitäten." Dr. Daniela Werlich - CUSTOMCELLS® CTO

Beispiele aus der Forschung

Batterieforschung mit Synchrotronstrahlung reicht von der Grundlagenforschung bis zur Untersuchung von handelsüblichen Batterien im Betrieb. Die Fragestellungen sind breit gefächert, wie auch die unterschiedlichen methodischen Ansätze. Daher können wir nur eine Auswahl von Beispielen herausgreifen. Im Folgenden finden Sie eine chronoligische Liste von Artikeln, die meisten sind Pressemitteilungen der Synchrotronstrahlungszentren in Deutschland bzw. mit deutscher Beteiligung.

Forschungs-Neutronenquelle ermöglicht Einblick in Lithium-Akkus. TU München / FRM II, DESY, 08.06.2022

Lithium-Schwefel-Akkus: Erste multimodale Analyse im Pouchzellenformat. HZB / TU Dresden, Fraunhofer-IWS, 21.02.2022

Batterieforschung: Start für das erste vollautomatische Labor. KIT / HIU, Univ. Ulm, 10.02.2022

FestBatt: Der nächste Schritt bei der Feststoffbatterie. KIT et al., 04.01.2022

Launch of the Grenoble Battery Hub. ESRF/ ILL, CEA, 24.11.2021

The role of structural defects in commercial lithium-ion batteries. Cell Reports Physical Science, 22.09.2021

Lithium-Dendriten auf der Spur: Wie zerstörerische Strukturen in Batterien wachsen. HZB, 01.09.2021

Warum altern Lithium-Schwefel-Batterien noch zu schnell? PTB / HZB, IPF, 24.06.2021

BESSY II: Ein- und Auswanderung von Gastatomen in nanoporöser Speicherstruktur direkt beobachtet. HZB / PTB, Univ. Hamburg, 21.04.2021

Nachhaltige und sichere Batterien: Forschung am Lebenszyklus. KIT et al., 21.01.2021

Nutzerforschung an BESSY II: Graphitelektroden für wiederaufladbare Batterien untersucht. HZB / TU Berlin, IZM, 20.11.2020

Ordnung in der Unordnung: Dichtefluktuationen in amorphem Silizium entdeckt. HZB / HU Berlin, FU Berlin et al., 29.10.2020

Eine Batterie-Komponente verändert das Gesamtsystem, energiezukunft / KIT, 28.10.2020

Hoffnung auf bessere Batterien – Forscher verfolgen live das Laden und Entladen von Silizium-Elektroden. HZB / HU Berlin, 29.07.2020

Anodenmaterial für sichere und langlebige Batterien. KIT, 28.07.2020

BESSY II: Experiment zeigt erstmals im Detail, wie Elektrolyte metallisch werden. HZB / FHI, 05.06.2020

Schnell und stark: Neue 2D-Materialien mit Talent zur Energiespeicherung. HZB, 02.03.2020

Spatially quantifying crystallographic heterogeneities in operating Li-ion electrodes. ESRF, 21.02.2020

Batterieforschung: Mit Neutronen und Röntgenlicht die Alterung von Lithium-Batterien analysiert. HZB / TU Berlin, ZIB et al., 07.02.2020

Donal Finegan wins the Young Scientist Award for his innovative research on lithium-ion battery failure and degradation. ESRF, 04.02.2020

Bis zu 30 Prozent mehr Kapazität für Lithium-Ionen-Akkus. KIT, 05.12.2019

Spatially resolving the state of charge in Li-ion electrodes. ESRF, 18.07.2019

Degradation of silicon-based anodes for lithium-ion batteries followed by in situ X-ray tomography. ESRF, 21.05.2019