24.11.2014
Elektrolyt mit ausgezeichneter elektrochemischer Stabilität und hohem Wirkungsgrad – Vielversprechender Ansatz bei der Entwicklung neuer Batterietypen
Das vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gegründete Helmholtz-Institut Ulm (HIU) treibt die Forschung zu Batterien der nächsten und übernächsten Generation voran: Eine Forschungsgruppe hat nun einen Elektrolyten entwickelt, der den Bau von Magnesium-Schwefel-Batteriezellen ermöglicht. Mit Magnesium lassen sich höhere Speicherdichten erreichen als mit Lithium. Zudem kommt Magnesium häufig in der Natur vor, ist ungiftig und zersetzt sich nicht an der Luft. In der Zeitschrift „Advanced Energy Materials“ stellt die Forschungsgruppe den neuen Elektrolyten vor.
In vielen elektrischen Geräten werden heute Lithium-Ionen-Batterien und Metallhydrid-Batterien als Energiespeicher eingesetzt. Wissenschaftler weltweit forschen derzeit an Alternativen zu diesen etablierten Batteriesystemen, um zukünftige Geräte sicherer, kostengünstiger, nachhaltiger und leistungsfähiger zu machen. Ziel ist, Lithium durch andere Elemente zu ersetzen. Dafür ist es erforderlich, alle Komponenten der Batterie neu zu entwickeln und ein Verständnis der elektrochemischen Vorgänge zu erarbeiten.
Auf Magnesium basierende Batteriezellen gelten derzeit als attraktive Möglichkeit, Lithium in Batterien zu ersetzen. Mit Magnesium lassen sich grundsätzlich höhere Speicherdichten erreichen als mit Lithium. Weitere Vorteile von Magnesium sind, dass es häufig in der Natur vorkommt, ungiftig ist und sich nicht wie Lithium an der Luft zersetzt. Bisher waren die Fortschritte auf diesem Gebiet allerdings gering. Vor allem fehlte es an geeigneten Elektrolyten für das Magnesium, mit denen sich Batterien mit hoher Speicherkapazität und Leistungsdichte bauen lassen.
Eine Forschungsgruppe um Professor Maximilian Fichtner und Dr. Zhirong Zhao-Karger konnte nun am HIU erstmals einen neuen aussichtsreichen Elektrolyten vorstellen, der die Entwicklung einer völlig neuen Generation von Batterien ermöglichen könnte. Der neue Elektrolyt zeichnet sich durch eine ganze Reihe von vielversprechenden Eigenschaften aus. So weist er eine bisher unerreichte elektrochemische Stabilität und einen sehr hohen Wirkungsgrad auf. Zusätzlich ist es möglich, den Elektrolyten in verschiedenen Lösungsmitteln und in hohen Konzentrationen zu verwenden. Der Elektrolyt ist chemisch kompatibel mit einer Schwefelkathode.
Ein weiterer Vorteil ist die ausgesprochen einfache Herstellung des Elektrolyten. „Es werden zwei käufliche Standardchemikalien verwendet, die man in das gewünschte Lösungsmittel gibt und etwas rührt. Diese einfache Mischung kann danach direkt als Elektrolyt in der Batterie verwendet werden. Kürzlich haben wir zudem festgestellt, dass eine Variante dieses Elektrolyten auch stabil an Luft ist. Damit können wir nun auch mit der Entwicklung neuartiger Magnesium-Luft-Batterien beginnen“, berichtet Forschungsgruppenleiter Maximilian Fichtner.
Zhirong Zhao-Karger, Xiangyu Zhao, Di Wang, Thomas Diemant, R. Jürgen Behm, and Maximilian Fichtner: Performance Improvement of Magnesium Sulfur Batteries with Modified Non-Nucleophilic Electrolytes. Advanced Energy Materials. Article first published online: 6 OCT 2014. DOI: 10.1002/aenm.201401155
31.10.2014
Im Helmholtz-Institut Ulm für Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an effizienten Batteriesystemen und neuen Materialien zukünftiger Batterien für die Energiewende. Um den Forschern optimale Voraussetzungen für ihre Arbeit zu bieten, hat das Land Baden-Württemberg in Ulm einen Neubau mit modernster Laborinfrastruktur errichtet. Das Gebäude mit einem Bauvolumen von 12 Millionen Euro bietet auf 2400 Quadratmetern Platz für Labore und Büroräume. Als Helmholtz-Einrichtung wird der Betrieb des HIU zu 90 Prozent vom Bund und zu zehn Prozent vom Land Baden-Württemberg finanziert.
Vier Partner arbeiten im HIU zusammen: das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Universität Ulm, sowie als assoziierte Partner das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW). Der Neubau hebt die seit der HIU-Gründung im Jahr 2011 bestehende räumliche Trennung vieler Forscherinnen und Forscher auf – im Sinne einer noch intensiveren Zusammenarbeit der Teams. Bei der feierlichen Übergabe sagte die Bundesforschungsministerin Professorin Johanna Wanka, dass in Ulm die Energiewende mit der Erforschung der nächsten Batteriegeneration konkret werde. „Wir brauchen bessere Speichermöglichkeiten, sonst ist die Energiewende nicht zu schaffen. In Ulm haben wir modernste Forschungsbedingungen aufgebaut, die bahnbrechende Entwicklungen ermöglichen. Es geht um ein ganz zentrales Zukunftsthema“, sagte Wanka.
„Erfolgreiche Forschung benötigt neben klugen und kreativen Köpfen auch passende Strukturen und moderne Gebäude. Mit dem neuen Gebäude des HIU geben wir jetzt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von vier renommierten Forschungseinrichtungen aus Baden-Württemberg ein gemeinsames Dach, um an einer der zentralen Fragen der Energiewende zu arbeiten: der Entwicklung von leistungsfähigen, langlebigen und kostengünstigen Energiespeichern“, betonte Theresia Bauer, Ministerin für Wissenschaft, Forschung und Kunst des Landes Baden-Württemberg.
Der Neubau auf dem Gelände der Universität Ulm ist Teil der Wissenschaftsstadt und wurde von Vermögen und Bau Baden-Württemberg Amt Ulm im Auftrag des Ministeriums für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg errichtet. „Auf dem Ulmer Universitätscampus wird mit dem neuen Forschungsbau für das Helmholtz-Institut ein Zentrum zukunftsweisender Energieforschung entstehen. Denn eine der großen Herausforderungen unserer Zeit wird die Gewährleistung der Energieversorgung sein“, so Ministerialdirektor Rolf Schumacher vom Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg anlässlich der feierlichen Übergabe in Ulm.
Träger der Ulmer Batterieforschungseinrichtung ist das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), das als Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft das HIU im Jahr 2011 gemeinsam mit der Universität Ulm und den assoziierten Partnern ins Leben gerufen hat.
„Die Forschung an leistungsstarken und kostengünstigen Batteriesystemen ist eines der Kernthemen des KIT – denn effiziente Speicher sind die Voraussetzung für das Gelingen der Energiewende“, sagt der Präsident des KIT, Professor Holger Hanselka. „Mit dem HIU als KIT-Institut am Campus der Universität Ulm nutzen wir die Expertise von insgesamt vier starken Partnern. Der Neubau bietet mit seiner hochmodernen Infrastruktur exzellente Voraussetzungen, um gemeinsam mit Hochdruck an den wissenschaftlichen Grundlagen für marktfähige und zukunftsweisende Batterien zu arbeiten.“
„Das neue HIU-Gebäude ermöglicht eine noch engere Zusammenarbeit der Partner Uni Ulm, KIT, ZSW und DLR zur Entwicklung neuartiger Hochleistungs-Batteriesysteme“, betont Professor Karl Joachim Ebeling, Präsident der Universität Ulm. „Die bereits sehr erfolgreiche Kooperation sichert die europaweit führende Stellung in der Batterieforschung und fördert darüber hinaus die Attraktivität des Standorts.“
Zur Forschung am HIU:
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des HIU erforschen die Grundlagen für möglichst kostengünstige und leistungsfähige Batterien, um beispielsweise die Lithium-Ionen-Technologie weiter zu optimieren. Während kleine Lithium-Ionen-Batterien bereits kommerziell in Unterhaltungselektronik, Elektrowerkzeugen, Hybridfahrzeugen und auch in Elektroautos genutzt werden, steckt der kommerzielle Einsatz von größeren Energiespeichern noch in den Anfängen. Für eine höhere Leistungsfähigkeit sind neue Speicherkonzepte erforderlich. Ein signifikanter Sprung in der Energiedichte der Batteriezellen wird nur mit neuen Speichermaterialien sowie durch eine kompaktere Bauweise möglich sein. Außerdem arbeiten die Forscher an völlig neuartigen Batterietypen, von denen man sich in Zukunft Innovationssprünge erhofft. Drei neue Professuren wurden am HIU seit seiner Gründung geschaffen. Das HIU bringt seine Forschungsaktivitäten in das Portfolio der Energiespeicherforschung der Helmholtz-Gemeinschaft ein. Im Helmholtz-Programm „Speicher und vernetzte Infrastrukturen“ leisten die Wissenschaftler wichtige Grundlagenforschung. 13 Forschergruppen arbeiten im Ulmer Helmholtz-Institut, strukturiert in fünf Forschungsgebieten: Elektrochemie, Materialien, Theorie, Systeme und Methoden. Die Gruppen werden jeweils von renommierten Forscherinnen und Forschern geleitet, die wiederum an der Spitze von Instituten oder Forschungsgruppen an einer der vier Partnereinrichtungen stehen. Gleichzeitig hat das HIU vier Querschnittsthemen definiert, um forschungsgruppenübergreifend an der Lösung wichtiger Fragestellungen zu arbeiten.
Zum neuen Forschungsbau des HIU:
Das neue Gebäude, vom Land Baden-Württemberg errichtet und von der Universität Ulm betrieben, wurde ab Februar 2011 vom Architekturbüro Professor Nickl und Partner in München geplant und entworfen; im Frühsommer 2012 begannen die Bauarbeiten. Das Gebäude bietet mit seinen drei Stockwerken und einer kompletten Unterkellerung auf 2400 Quadratmetern Platz für rund 100 Mitarbeiter. Heute arbeiten im HIU-Neubau bereits 90 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, weitere 15 Forscher sind in ihrer Arbeit am KIT in die HIU-Forschung eingebunden. Die neuen hochtechnologisierten Chemie- und Physik-Labore und ein Trockenraum ermöglichen den Wissenschaftlern exzellente Bedingungen für ihre Forschung. Die Forscher waren in den Prozess der Einrichtung der Labore eingebunden, wodurch diese exakt an ihre Bedürfnisse angepasst werden konnten. Architektonisch charakteristisch ist die Fassade des Neubaus, welche aus Lochblechelementen besteht, die durch verschieden große Lochungen ein Muster optischer Interferenzen bilden. Die Elemente lassen sich vor den Bürofenstern hochfalten und so als Sonnen- und Blendschutz nutzen. Der Künstler Gert Wiedmaier hat im Inneren des Gebäudes rechteckige Bleche mit ausgelaserten farbigen Worten anbringen lassen. In die Auswahl der Wörter waren ebenfalls Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des HIU einbezogen.
HIU richtet Workshop mit international renommierten Vortragenden aus
28. & 29.10.2014
Die HIU-Forschungsgruppe „Elektrochemie der Batterien“ unter Leitung von Prof. Stefano Passerini veranstaltete am 28. und 29. Oktober den Workshop „On the GREEN Road to Environmentally Friendly Li-Ion Cells” im Rahmen des EU-geförderten Projektes GREENLION. Über 80 internationale Teilnehmende aus Wissenschaft und Industrie diskutierten zwei Tage über die Möglichkeiten umweltfreundlicher Produktion von Lithium-Ionen-Batterien. Parallel zu den Vorträgen informierte eine umfangreiche Poster-Ausstellung über aktuelle Forschungsprojekte.
Die Themengebiete des Workshops reichten von neuen Batteriematerialien, über umweltfreundliche Prozesse zur Herstellung von Elektroden bis hin zu Lebenszyklusanalysen sowie wirtschaftlichen Anforderungen an zukünftige Batterie-Technologien. Unter den Vortragenden waren weltweit anerkannte Forscher, wie Prof. Dr. Michel Armand, der unter anderem den „Carbon Nanopainting“- Prozess von Lithiumeisenphosphat entwickelt hat, welcher Lithiumeisenphosphat zu einem sicheren und häufig verwendeten Kathodenmaterial gemacht hat.
GREENLION ist eine groß angelegtes Gemeinschaftsprojekt im Rahmen des siebten EU-Forschungsrahmenprogramms, das zur Herstellung umweltfreundlicherer und kostengünstigerer Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge beitragen soll. Dieses Ziel soll erreicht werden durch die Verwendung von wasserlöslichen, fluorfreien, hochwärmebeständigen Bindemitteln, die den Einsatz von flüchtigen organischen Verbindungen vermeiden würden und gleichzeitig die Zellfertigungskosten reduzieren würden.
Ziel des EU-Forschungsrahmenprogramms ist es, die wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen der Industrie der Gemeinschaft zu stärken und die Entwicklung ihrer internationalen Wettbewerbsfähigkeit zu fördern sowie alle Forschungsmaßnahmen zu unterstützen, die für erforderlich gehalten werden.
28. – 29.10.2014
Ulm, Deutschland
GREENLION ist ein breit vernetztes, europäisches Forschungsprojekt aus dem „7th Framework Programme for Research and Technological Development (FP7)“ der EU, welches zum Ziel hat, die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien für die Elektromobilität „grüner“ und günstiger zu gestalten.
28.07.2014
Bruno Scrosati, visiting professor at the HIU and formally affiliated with the University of Rome Sapienza and the Italian Institute of Technology, is among the world’s top scientists, according to the recently launched Thomson Reuters Highly Cited Researchers list.
In creating the list, Thomson-Reuters collected data on articles filed in the Web of Science Core Collection from 2002 to 2012, selecting only articles that were labelled as Highly Cited Papers. Highly Cited Researchers presents around 3,200 researchers in 21 main fields of science and the social sciences. The list is based on two separate studies both drawing on data and commentary from Thomson Reuters bibliometric experts via InCites Essential Science Indicators, the world’s leading web-based research analytics platform. The analysts used a unique compilation of science performance metrics and scientific trend data based on journal article publication counts and citation data from the Web of Science, the leading web-based platform for scientific and scholarly research.
This new compilation of Highly Cited Researchers updates a previous site, originally known as ISIHighlyCited, first launched in 2001. The older collection identified researchers according to total citations to their work.
Professor Scrosati was selected in the top 1% most cited researchers in the field of materials science. He has been involved in research on lithium battery materials and has contributed to the progress of this field with several hundred scientific publications. Professor Scrosati has received various awards in recognition of his activities; these include the Research Award of the Battery Division of the Electrochemical Society, the Vittorio De Nora Award of the Electrochemical Society, the President chair of the same society, the XVI edition of the Italgas Prize, Honorary Doctorates in Science from the University of St. Andrews, Scotland in 1996 from the Chalmers University of Technology, Goteborg, Sweden in 2008 and from the University of Ulm, Germany in 2012.
To learn more about the methodology behind the selection of the 2014 Highly Cited Researchers list, visit Thomson-Reuters’s website .
23.06.2014
The 14th UECT (Ulm ElectroChemical Talks) took place in the Congress Center Ulm from June 23 – 26, 2014. The 2014 talks focused on the topic of „Next Generation Electrochemical Energy Technologies“.
The conference has been staffed by top class international speaker. HIU was a co-organiser.
23. – 26.03.2014
Bad Honnef, Deutschland
„Analytical Tools for Fuel Cells and Batteries“
Ein Workshop organisiert von:
– Dr. Roswitha Zeis (HIU, Helmholtz Nachwuchsgruppe)
– Prof. Dr. Helmut Ehrenberg (KIT, IAM-ESS)
– Prof. Dr. Christina Roth (Freie Universität Ulm)
Dieses Seminar ist gefördert durch die WE-Heraeus-Stiftung.
01.01.2014
Stefano Passerini is appointed Professor at the Karlsruhe Institute of Technology to be a member of the Helmholtz Institute Ulm. Stefano Passerini transfered to HIU with his research group composed of more than 20 Post-Doctoral fellows and PhD students and research projects, accounting for about 4,000,000 € funding from the European Union, BMBF, Helmholtz Society and industry.
After graduation at the University of Rome “La Sapienza” in 1993, he has acquired a wide international experience in the lithium battery field as senior scientist in the USA (Chemical Engineering and Materials Science Dept., University of Minnesota) and Italy (Italian National Agency for New Technologies, Energy and Environment), and as visiting scientist in Japan (Chemistry Dept., Waseda University), Brazil (Chemistry Dept., University of Sao Paulo in Riberao Preto).
Finally, he was appointed as Professor in the Institute of Physical Chemistry of the University of Muenster (Germany). Among other activities, he has been the co-Founder and co-Director of MEET (Muenster Electrochemical Energy Technology), the battery research center recently established at the University of Muenster, which focuses on the development of present and next generation lithium batteries and supercapacitors.
Since 1986 Stefano Passerini has been working on the development of materials and systems for electrochemical energy storage. His research efforts are focused on the fundamental understanding and the development of materials for lithium batteries, such as ionic liquids, polymer electrolytes, and electrode materials. He is co-author of over 240 peer-reviewed publications, several book chapters and patents.
In recognition of his work, he has been awarded the 2012 Research Award of the Battery Division of the Electrochemical Society.
Since 2013 he has been appointed has European Editor of Journal of Power Sources.
13. – 14.07.2013
Barga, Italien
Mit Beteiligung von Prof. Maximilian Fichtner fand im Juli 2013 die Gordon Conference „Hydrogen Interactions in Energy Storage“ statt. Es wurden Vorträge und Poster präsentiert.
11.06.2013
Ende April 2013 wurde Maximilian Fichtner zum Professor für Festkörperchemie an der Universität Ulm, Fakultät für Naturwissenschaften ernannt und hat am Helmholtz-Institut Ulm (HIU) die Leitung der neuen Forschungsgruppe „Materials I“ übernommen. Die neu gegründete Forschungsgruppe wird sich vor allem mit der Erforschung neuer Batteriekonzepte und Synthesen neuer Konversionsmaterialien beschäftigen. Die Arbeiten in Ulm werden auf der in der Gruppe „Energiespeicherung“ am Karlsruher Institut für Technologie, dem Institut für Nanotechnologie, begonnene Konzeptentwicklung aufbauen.
Maximilian Fichtner wird die Arbeiten am KIT-INT auch weiterhin in Personalunion betreuen.
