News & Events Archiv - Seite 5 von 21 - Helmholtz-Institut Ulm

Forschungsstandort Ulm deckt alle Schritte der Batterieentwicklung ab

Ministerpräsident Winfried Kretschmann zu Besuch beim Exzellenzcluster POLiS, dem HIU und dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

Ministerpräsident Winfried Kretschmann besuchte am 3. Februar 2023 den Excellenzcluster POLiS (Post Lithium Storage), CELEST und das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) am Forschungsstandort Ulm, um sich über die Batterieforschung zu informieren. Bei einem Laborrundgang im Excellenzcluster verschaffte er sich einen persönlichen Überblick über ein weltweit einmaliges, volldigitalisiertes und vollautomatisiertes Labor zur beschleunigten Materialentwicklung. Am ZSW standen die Anlagen zur Erforschung der seriennahen Produktion von großen Lithium-Ionen-Zellen im Fokus.

Impressions of Minister President Winfried Kretschmanns visit to @ClusterPolis @RegierungBW pic.twitter.com/Odfqn2kcKj

— POLiS_Cluster (@ClusterPolis) February 3, 2023

„Der Excellenzcluster POLiS, die Forschungsplattform CELEST und das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) sind Knotenpunkte der Batterie- und Wasserstoffforschung. Hier wird Batterietechnologie auf ein ganz neues Level gehoben. Mit der Entwicklung neuer Batteriematerialien, die nicht mehr auf kritische Materialien angewiesen sind, wird in Ulm ein extrem wichtiger Beitrag dazu geleistet, dass unsere Wirtschaft unabhängiger werden kann – schließlich haben uns die geopolitischen Veränderungen vor Augen geführt, welche Auswirkungen Abhängigkeiten haben können“, so Ministerpräsident Kretschmann. „Als Landesregierung haben wir auch deswegen den Runden Tisch Batterie initiiert, um Forschung und Unternehmen in diesem Bereich zusammenzubringen. Und um Herausforderungen und Entwicklungen bei der Batterietechnik früh zu erkennen und zu begleiten.“

„An der Universität Ulm geht die elektrochemische Grundlagenforschung in die 1980er-Jahre zurück. Heute sind mehr als 400 Mitarbeitende an verschiedenen Einrichtungen an der gesamten Entwicklungskette der Batterieforschung tätig und machen Ulm damit zu einem der Batterie-Kompetenzzentren in Europa“, so Prof. Michael Weber, Präsident der Universität Ulm.

Im Exzellenzcluster #POLiS entwickeln die @uni_ulm & @KITKarlsruhe mit der @jlugiessen & dem Zentrum für Sonnenenergie- & Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) nachhaltigere #Batterietechnologien??u.a. auf Basis von #Natrium, Magnesium und Calcium. #Klimaschutz pic.twitter.com/un6GwncRUt

— Landesregierung BW (@RegierungBW) February 3, 2023

„Am KIT verfolgen wir in der Batterieforschung einen transdisziplinären Ansatz, der die gesamte Wertschöpfungskette umfasst. Von der Materialforschung über die Produktionstechnik und Zellentwicklung bis zu kompletten Energiespeichersystemen arbeiten wir an innovativen Lösungen.“ sagt Prof. Holger Hanselka, der Präsident des KIT. „Dabei arbeiten wir praxisnah und kooperieren eng mit der Industrie und unseren renommierten Partnerinstitutionen in Ulm und auf der ganzen Welt, um einen Beitrag zur Energiewende zu leisten.“

„Aufgrund der langjährigen Expertise der Universität Ulm und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) sind gemeinsam mit dem ZSW das Helmholtz-Institut Ulm, POLiS und die Forschungsplattform CELEST entstanden. Die CELEST-Initiative macht uns zu einem der größten Player in der Batterieforschung weltweit“, so Prof. Dr. Maximilian Fichtner, Direktor von CELEST und Sprecher des Exzellenzcluster POLiS.

„Batteriematerialien, Batteriezellen und komplette Batteriesysteme – insbesondere für die Elektromobilität – entwickeln sich in rasanter Geschwindigkeit weiter. Im Ulmer Science Park sind alle Akteure bestens aufgestellt, um Entwicklungstrends in Batterien umzusetzen“, sagt. Prof. Dr. Markus Hölzle, ZSW-Vorstandsmitglied und Leiter des Geschäftsbereichs Elektrochemische Energietechnologien. Der Fokus am ZSW in Ulm liegt auf dem Technologietransfer vom Labormaßstab in die Serienfertigung.“

Batterien auf Basis von Natrium, Magnesium und Calcium

Der Exzellenzcluster POLiS erforscht nachhaltigere Batteriematerialien und Technologiekonzepte auf Basis von Natrium, Magnesium und Calcium, die ohne Lithium und weitere kritische Rohstoffe auskommen. Einen wichtigen Baustein zur Erforschung der Lithium-Alternativen stellt die erste automatisierte Plattform zur beschleunigten Batteriematerial-Entwicklung dar. „Unsere Anlage ist in der Lage, rund um die Uhr Batterien zu bauen, tausende Grenzflächen zu analysieren, mithilfe von Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) auszuwerten und neue Versuche zu planen. Neben der Beschleunigung durch Automatisierung kann durch die Algorithmen und KI eine zusätzliche, um den Faktor 10 schnellere, Optimierung erreicht werden und vielversprechende Batteriematerialien schneller und kostengünstiger zur Marktreife gebracht werden“, so Tenure-Track-Prof. Helge Stein (KIT), Forschungsbereichssprecher bei POLiS. Die Forschungsanlage ist zudem in einen europäischen Rahmen eingebettet. Die von der Anlage erfassten Daten aus allen Bereichen des Batterieentwicklungszyklus werden mit 34 Institutionen aus 15 Ländern im Projekt BIG-MAP der europäischen Forschungsinitiative BATTERY2030+ geteilt, in der auch CELEST eine wichtige Rolle spielt.

Industrielle Produktionsforschung vom Material bis in die Zelle

Mehr als 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am ZSW beschäftigen sich seit vielen Jahren mit Lithium-Ionen und Post-Lithium-Batterien. Hierbei verfolgt das Institut eine ganzheitliche Herangehensweise: Beginnend bei der Herstellung und Charakterisierung von Aktivmaterialien über den Bau von kompletten Batteriesystemen und deren Testung enden die Arbeiten mit dem Thema Batterierecycling. Ministerpräsident Winfried Kretschmann besichtigte die seit 2013 betriebene und im Jahr 2022 erweiterte, europaweit einzigartige Pilotanlage zur industriellen Produktion von großen Lithiumionenzellen, wie sie heute in Elektrofahrzeugen verbaut werden. Eine weitere Station der Besichtigung war die Baustelle für das neue Technikum „Powder-Up“. In den nächsten zwölf Monaten errichtet das ZSW einen Neubau für eine Pilotanlage zur Herstellung von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien in Materialchargen von 100 Kilogramm. Solche Mengen sind erforderlich, um große Batteriezellen für Elektroautos oder stationäre Speicher überhaupt erst herstellen zu können. Die Anlagen decken die komplette Produktionskette ab, ermöglichen aber auch Forschungsarbeiten zu einzelnen Fertigungsschritten. Die hergestellten Batteriematerialien können dann in Pilotanlagen bei Forschungsinstituten oder bei Batterieproduzenten eingesetzt werden. Das Land Baden-Württemberg unterstützt diesen Neubau mit 10 Millionen Euro.

Über das HIU

Das Helmholtz-Institut Ulm (HIU) wurde im Januar 2011 vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) als Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft in Kooperation mit der Universität Ulm gegründet. Mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) sind zwei weitere renommierte Einrichtungen als assoziierte Partner in das HIU eingebunden. Das internationale Team aus rund 120 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern forscht im HIU an der Weiterentwicklung der Grundlagen von zukunftsfähigen Energiespeichern für den stationären und mobilen Einsatz.

Vom 5. bis zum 8. Dezember fand in Ulm die 7. ICNaB-Konferenz – die „Internationale Konferenz zu Natrium-Batterien“ statt. Die Veranstalter, das Helmholtz-Institut Ulm (HIU) und das Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) begrüßten über 200 Forschende und zahlreiche Repräsentant*innen aus Wissenschaft, Industrie und Politik.

Das Programm bestand aus 41 Vorträgen, der Präsentation von wissenschaftlichen Postern sowie der Auszeichnung derer. Das Organisatoren-Duo, bestehend Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens (ZSW) und Prof. Dr. Stefano Passerini (HIU), gab sich optimistisch: „Die ICNaB-Konferenz zeigte die vielen verschiedenen Aspekte von Natriumbatterien auf, die derzeit untersucht und entwickelt werden, um sie billiger, technologisch ausgereifter und vor allem nachhaltiger zu machen. Die Konferenz unterstrich das weltweite Industrie-Interesse an Natriumbatterien als Komplementärspeichern zu Lithium-Ionen-Batterien“, sagte Passerini.

Natrium-Ionen-Batterien stehen in Passerinis Forschungsgruppe im Vordergrund. Diese Zellen bestehen aus Materialien, die als verfügbar, unkritisch, besonders preiswert, leistungsstark und gleichzeitig langlebig beschrieben werden. Deshalb gelten diese Batterien auch als nachhaltig. Schon nächstes Jahr rechnet Passerini mit dem Hochfahren der Natriumbatterie-Produktion.

Die ICNaB-Konferenz in Ulm befasste sich auch mit dem Werdegang der Natriumbatterien vom Labor bis zur Massenproduktion. Dieser Übergang aus der Forschung bis hin zur industriellen Produktion bringt vielerlei Herausforderungen sowohl für Hochschulen als auch für Unternehmen mit sich: Von der Materialentwicklung, der Beschaffung, Einsatzorten bis hin zum Anlagenbau und Personalfragen. Darüber hinaus widmete sich die Konferenz notwendigen Infrastrukturinvestitionen sowie einer nachhaltigen Produktion und Wiederverwertung.

Darüber hinaus thematisierte die Konferenz auch die notwendigen Infrastrukturinvestitionen und die Notwendigkeit einer nachhaltigen Produktion und eines nachhaltigen Recyclings. Eine wissenschaftliche-Poster Session gab Teilnehmern, vor allem jungen Wissenschaftler*innen, eine Plattform für Diskussionen. Hierbei waren insbesondere das Exzellenzcluster POLiS, die Universität Ulm, sowie das HIU und das ZSW beteiligt.

Preisverleihung der besten Poster

1. Platz (Preis von EERA JP Energy Storage: 300 EUR)
Gewinnerin: Emily Foley, UC Santa Barbara (USA)
Postertitel: „Investigating Polymorphism and Synthesis in Na2Fe2F7 and its Effect on Electrochemical Properties“

2. Platz (Preis von EERA JP Energy Storage: 200 EUR)
Gewinner: Alexander Martin Kempf, TU Darmstadt (DE)
Postertitel: „Unlocking high-rate performance in C/Sn-composites by employing an ultra-fast heating process“

3. Platz (Preis von „ChemSusChem“ book voucher at „Wiley“: 200 EUR)
Gewinner: Till Ortmann, Justus Liebig University Giessen (DE) (POLIS)
Postertitel: „Growth Behaviour of Sodium Metal at NaSICON-Type Solid Electrolyte for Reservoir-free Sodium Solid State Batteries“

4. Platz (Preis von „Batteries&Supercaps“ book voucher at „Wiley“: 100 EUR)
Gewinnerin: Silvia Porporato, Polytechnic of Turin (IT)
Postertitel: „An electrochemical investigation of electrode materials coupled with ionic liquid-based electrolytes for Na-ion batteries“

Mehr Information:
https://www.icnab22.com/
https://natron.energy/
https://www.zsw-bw.de/

7. Dezember 2022

Im Verbundprojekt CaSino arbeiten Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) mit Partnern an Batterien der nächsten Generation.

Ob Elektromobilität, tragbare Elektronik oder Netzspeicher für die Stromversorgung – ein Leben ohne Lithium-Ionen-Batterien ist heute nur schwer vorstellbar. Doch der Abbau von Lithium und weiterer notwendiger Rohstoffe wie Nickel und Kobalt verursacht hohe ökologische Kosten und stößt bald an natürliche Grenzen. Eine Alternative sind möglicherweise Calcium-Schwefel-Batterien, deren Entwicklung in dem vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) koordinierten Verbundprojekt CaSino vorangetrieben wird.

„Calcium besitzt wie Lithium eine hohe Speicherkapazität und Zellspannung“, sagt Maximilian Fichtner, Direktor des vom KIT in Kooperation mit der Universität Ulm gegründeten Helmholtz-Instituts Ulm (HIU). „Es ist außerdem das fünfthäufigste Element in der Erdkruste und weltweit gleichmäßig verfügbar. Daher ist Calcium auch viel kostengünstiger als Lithium und bietet eine stabilere Materialienlieferkette.“ Mit der Entwicklung von ersten stabilen Prototypen hatte das Team am HIU bereits zuvor den Grundstein für die neue Calcium-Technologie gelegt. Durch innovative Materialentwicklung sollen in CaSino nun wesentliche Fortschritte in Bezug auf Zyklenstabilität und Energiedichte erreicht werden.

Verbesserte Elektrolyte für eine längere Lebensdauer

„Die größte Herausforderung ist nach wie vor die Reaktionsfreudigkeit des Calciums, wodurch es ungünstige Oberflächenschichten ausbildet“, erklärt Zhirong Zhao-Karger vom HIU, die das Projekt leitet. „Dank eines Elektrolyten auf Bor-Basis erzielen wir aber bereits nach dem letzten Stand der Technik die besten elektrochemischen Eigenschaften.“ Gemeinsam mit der IoLiTec GmbH, einem Spezialisten für ionische Flüssigkeiten, wird am HIU nun eine weitere Verbesserung des Elektrolyten angestrebt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert CaSino für vorerst drei Jahre.

Mehr Information:
https://www.kit.edu/kit/31698.php

Prof. Dr. Stefano Passerini ist mit der diesjährigen Alessandro-Volta-Medaille ausgezeichnet worden. Die Auszeichnung fand bereits während des 242. Meetings der Gesellschaft für Elektrochemie (ECS) in Atlanta (USA) am 12. Oktober 2022 statt. Die Gesellschaft vergibt den Preis alle zwei Jahre für herausragende Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Elektrochemie und Festkörperforschung.

Die Jury zeichnete Passerinis Forschungsaktivitäten zur Entwicklung von Materialien für Hochenergiebatterien und Superkondensatoren aus. Diese verfolgen das Ziel, nachhaltige Energiespeichersysteme aus umweltfreundlichen und verfügbaren Materialien zu schaffen.
Der italienische Chemiker, derzeit stellvertretender Direktor des Helmholtz-Instituts Ulm, erhielt den Preis insbesondere als Pionier auf dem Gebiet der ionischen Flüssigkeiten und der Entwicklung von Natrium-Ionen-Batterien. Stefano Passerini gilt seit Jahren als einer der meistzitiertesten Wissenschaftler auf diesem Fachgebiet und veröffentlichte bereits mehr als 600 Artikel in Fachzeitschriften, Büchern sowie Konferenzbeiträgen.

Natrium-Ionen-Batterien stehen in Passerinis Forschungsgruppe im Vordergrund. Diese Zellen bestehen aus Materialien, die als verfügbar, besonders preiswert, leistungsstark und gleichzeitig langlebig beschrieben werden. Deshalb gelten diese Batterien auch als nachhaltig. Schon nächstes Jahr rechnet Passerini mit dem Hochfahren der Natriumbatterie-Produktion.

Zusammen mit Passerini wurde Jerry Barker als Mitbegründer der britischen Faradion Ltd. ausgezeichnet. Das Start-up Unternehmen verkauft erste Na-Ionen-Batterien.

Die Auszeichnung besteht aus einer Silbermedaille und einem Preisgeld von 2.000 US-Dollar. Wie jeder Preisträger wurde Passerini eingeladen, einen „Volta Award-Vortrag“ zu einem Thema zu halten, das für ihn von großem Interesse ist. In diesem Vortrag („From the Oil Barrel to Reactive Metals: An Approach to the Energy Transition“) stellte Passerini verschiedene Lösungen elektrochemischer Speichermodelle vor.

Besonders reaktive, metallbasierte Speichersysteme auf Aluminium- und Natriumbasis seien laut Passerini in der Lage, alle Nachhaltigkeits- und Speicherkriterien zu erfüllen. Sowohl die Dampfverbrennung von geschmolzenem Aluminium zur Wasserstoff- und Wärmeerzeugung stellten interessante Modelle dar. Außerdem könnten flüssige Salzwasserbatterien eines Tages dabei helfen, Energie elektrochemisch in Meerwasser zu speichern.

Die Volta-Medaille wurde von der „Europa-Sektion“ der Gesellschaft für Elektrochemie im Jahre 1998 ins Leben gerufen, um herausragende Leistungen in der Elektrochemie und der wissenschaftlichen und technologischen Festkörperforschung anzuerkennen.

Alessandro Volta war ein italienischer Wissenschaftler und gilt als Erfinder der Elektrochemie. Er gilt erfand die „Volta’sche Säule“, heute bekannt als die erste elektrische Batterie. Die SI-Einheit des elektrischen Potentials (Spannung), besser bekannt als Volt, ist nach ihm benannt.

Das japanische Unternehmen Horiba vergibt seinen jährlichen Preis für innovative Arbeiten im Bereich der analytischen Messtechnik, die zur Dekarbonisierung beitragen. In diesem Jahr erhält Prof. Helge Stein, Forschungsgruppenleiter am HIU, den Preis für seine Forschung zur datengetriebenen Beschleunigung der Materialentdeckung und Hochskalierung durch korrelative Spektroskopie und Herstellung im Labormaßstab.

Der mit 500.000 Yen dotierte Preis wurde Prof. Stein verliehen, da die Jury zur Überzeugung gekomen war, dass die von ihm erreichte Automatisierung von Experimenten zur Entdeckung von Battriematerialien zur Dekarbonisierung in allen Energiesektoren eine neue Dimension erreichen wird.

Der Masao Horiba Award wurde 2003 ins Leben gerufen, um innovative Arbeiten in analytischen Messtechnologien hervorzuheben. Diese Informationen sind entscheidend für das Verständnis vieler Phänomene und bilden somit die Grundlage für neue wissenschaftliche Forschung. Diese Eigenschaften bilden auch die Grundlage für die Überführung von Werkstoffen in die industrielle Fertigung. Für die Produkt- und Prozessoptimierung sind diese Analyse- und Messtechniken unverzichtbar. Der Masao Horiba Award, benannt nach dem Gründer der HORIBA, Ltd., soll dazu beitragen, die Leistungen von Forschern zu beleuchten, die sich auf dem Gebiet der Analyse- und Messtechnik engagieren.

Über 100 Batterie-Expert*innen trafen sich vom 6. bis 8. September in Ulm, um die aktuellsten Entwicklungen von Batterien zu erörtern, die ohne Lithium auskommen. Das vierte international Symposium on Magnesium Batteries, kurz MagBatt, hat sich seit 2016 in Ulm etabliert und lockt Forschende aus der ganzen Welt an. Diesmal wurde das Programm neben Magnesium-Batterien um multivalente Batterien erweitert und in insgesamt 37 Vorträgen und einer Postersession diskutiert.

Multivalente Batterien basieren auf Magnesium, Calcium, Aluminium und Zink. Sie bieten eine interessante Alternative in Bezug auf die Energiemenge, die geliefert werden kann, die Sicherheit, die Herstellungs- und Entsorgungskosten und die begrenzten Umweltauswirkungen. Die Entwicklung völlig neuer Batteriechemien ist eine große Herausforderung. Insbesondere die hohe kationische Leitfähigkeit von mehrwertigen Kationen wie Mg2+ und Ca2+, Zn2+ oder Al3+ ist bei Umgebungstemperaturen in Festkörperelektrolyten nur schwer zu realisieren. Es wurden verschiedene Phänomene entdeckt, die die Leitfähigkeit verbessern können, wie z. B. nanopartikuläre Zusätze, Nanoeinschluss, Stabilisierung ungeordneter polymorpher Formen mit hoher Dynamik im festen Zustand usw. Auch die Entwicklung von Elektroden, die mit Hochleistungselektrolyten kompatibel sind, ist schwierig.

ERC Starting Grant für Dr. Dominic Bresser – Schnelleres Laden durch innovative Materialien

Für die Entwicklung neuartiger Elektrodenmaterialen im Forschungsprojekt RACER erhält Nachwuchsforscher Dr. Dominic Bresser einen Starting Grant des ERC.

Langlebige Batterien, die sich schnell laden lassen, sind der Schlüssel für einen Durchbruch der klimafreundlichen Elektromobilität. Wieviel Energie eine Batterie aufnehmen kann und wie lange das Laden dauert, wird dabei unter anderem von der atomaren Struktur und den Elementen im Elektrodenmaterial physikalisch begrenzt. Im Forschungsprojekt RACER („Highly Redox-active Atomic Centers in Electrode Materials for Rechargeable Batteries“) sollen die bisherigen Grenzen nun mithilfe innovativer Materialkonzepte erweitert werden.

„Wir nutzen dafür einen gänzlich neuen Speichermechanismus für die Ladungsträger“, sagt Dr. Dominic Bresser, der das Projekt am Helmholtz-Institut Ulm (HIU) leitet. „Neben der typischen reversiblen Einspeicherung von Ionen als Ladungsträger in das Kristallgitter des Elektrodenmaterials kommen bei uns nun zusätzlich kontrollierte Redoxreaktionen auf atomarer Ebene zum Einsatz.“ Dadurch lasse sich die Energiedichte bei einer gleichzeitig hohen Schnellladefähigkeit signifikant erhöhen.

Die Forschungsgruppe von Dominic Bresser, Elektrochemische Energiespeichermaterialien, veröffentlichte kürzlich einen „Proof of Concept“ zu dem Vorhaben: „Wir wollen nun den zugrundeliegenden Mechanismus zunächst genauer verstehen. Der zweite Schritt ist das Experimentieren mit unserem Proof-of-Concept-Material Eisen und Ceroxid. In diesem Fall ist Eisen das hochgradig redox-aktive Zentrum“, sagt Bresser und fügt hinzu: „Wir wollen sehen, ob wir Eisen durch andere Elemente ersetzen können und welche Auswirkungen diese Substitution hat. Tatsächlich haben wir ein paar vorläufige Daten, die zeigen, dass wir den gleichen Mechanismus auch ohne Eisen erreichen können.“

Im Moment bietet Ceroxid die Wirtsstruktur. Cer gilt als Seltenes-Erden-Metall, obwohl Cer eigentlich so häufig vorkommt wie etwa Kupfer. „Der zweite Schritt wird sein, das Ceroxid durch viel häufiger vorkommende Elemente, wie idealerweise Titan oder Mangan, zu ersetzen. Schließlich wollen wir den Mechanismus für die Ceroxid-Wirtsstrukturen auf andere Metalloxid-Wirtsstrukturen übertragen, die idealerweise auf sehr häufig vorkommenden Metallen basieren – also umweltfreundlich, ungiftig, kostengünstig – sind. Das ist das Hauptziel dieses Projekts“, so Dr. Bresser.

Für seine Forschung erhält Dr. Dominic Bresser vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council – ERC) einen Starting Grant. Mit der Auszeichnung für den Nachwuchsforscher hat der ERC in der Förderrunde 2021 nun bereits drei Starting Grants an das KIT vergeben. Die ausgewählten Projekte werden für fünf Jahre mit jeweils bis zu 1,5 Millionen Euro unterstützt.

Batterieforschung: Start für das erste vollautomatische Labor Eine neue High-Tech-Forschungsanlage beim Exzellenzcluster POLiS beschleunigt die Batterieentwicklung – Besuch der Wissenschaftsministerin zum Start

Rund um die Uhr Batterien bauen, tausende Grenzflächen analysieren, die Ergebnisse mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI) autonom auswerten und dann gleich das nächste Experiment planen: Eine neue Anlage beim Exzellenzcluster POLiS erledigt die Materialentwicklung vollautomatisch und digital. Das autonome Forschungslabor entstand in einer Kooperation des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Universität Ulm sowie des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) und ist nun in Betrieb gegangen. Beim Start mit dabei war die baden-württembergische Wissenschaftsministerin Theresia Bauer.

Für die Verkehrs- und Energiewende werden neuartige leistungsfähige und nachhaltige Batterien benötigt. Dies stellt eine große Herausforderung dar, denn von der Idee bis zum fertigen Produkt dauert es mit gegenwärtigen Methoden Jahrzehnte. Mit einer nun fertiggestellten High-Tech-Anlage bei POLiS soll es zukünftig sehr viel schneller gehen. Entwickelt wurde das Leuchtturmprojekt im Exzellenzcluster POLiS, in dem das KIT gemeinsam mit der Universität Ulm an den Batterien der Zukunft arbeitet. „Mit der Förderung dieser neuen Materialentwicklungsplattform ist eine weltweit einmalige Forschungsinfrastruktur entstanden. Wir erhoffen uns einen deutlichen Schub für die Forschung an Energiespeichern, die bei der Umstellung unseres Energiesystems und unserer Mobilität unerlässlich sind. Zugleich konnten wir mit der Förderung Professor Helge Stein als einen kreativen und umtriebigen Kopf für unser Team in Ulm gewinnen“, sagt Theresia Bauer, Ministerin für Wissenschaft, Forschung und Kunst in Baden-Württemberg, die POLiS und das HIU anlässlich des Starts besuchte.

Weltweit erste vollintegrierte Plattform zur beschleunigten Forschung zur elektrochemischen Energiespeicherung

Helge Stein, Tenure-Track-Professor am KIT und POLiS-Forschungsbereichssprecher erklärt die Vorzüge der Anlage: „Wir sind nun in der Lage, Batterien und deren Einzelkomponenten automatisiert zu synthetisieren und zusammenzubauen, eine Messung anzustoßen und diese vollautomatisiert auszuwerten. Basierend auf der Datenlage kann die KI-gestützte Anlage sogar entscheiden, welches Experiment als nächstes durchgeführt werden soll.“ Mit seiner Forschungsgruppe hat Stein die zugrundeliegende kombinatorische Materialsynthese, die Hochdurchsatz-Charakterisierung sowie die Data-Mining-Techniken unter Zuhilfenahme von Methoden der KI in der Versuchsauswertung und -planung entwickelt. Die Anlage mit dem Namen PLACES/R (Platform for Accelerated Electrochemical Energy Storage Research) stellt die weltweit erste vollintegrierte Plattform zur beschleunigten Forschung zur elektrochemischen Energiespeicherung dar.

Batterieforschung ist geprägt von der Suche nach der idealen Kombination aus Materialien, deren Zusammensetzung und Verfahrenstechniken. Alle möglichen Variationen mit allen Materialien zu testen, würde mit klassischen Methoden allerdings Jahrtausende in Anspruch nehmen. „Unsere Anlage kann mehrere hundert solcher Variationen am Tag testen. Dies entspricht in etwa dem durchschnittlichen Lebenswerk eines Forschenden“, so Stein. Neben der Beschleunigung durch Automatisierung kann durch die Algorithmen und KI eine zusätzliche, um den Faktor zehn schnellere Optimierung erreicht werden und vielversprechende Batteriekonzepte damit noch schneller und kostengünstiger zur Marktreife gebracht werden.

Eingebettet ist die neue Forschungsanlage in einen europäischen Rahmen: Die erfassten Daten aus allen Bereichen des Batterieentwicklungszyklus werden mit 34 Institutionen aus 15 Ländern im Projekt BIG-MAP der europäischen Forschungsinitiative BATTERY2030+ geteilt. „Das vollautomatisierte Labor wird uns und unsere europäischen Partner nicht nur in die Lage versetzen, Komponenten für neue Batterien viel schneller entwickeln zu können. Es wird auch sicherstellen, dass Batterien zu so niedrigen Kosten hergestellt werden können, dass es in Zukunft noch attraktiver sein wird, Strom zum Beispiel aus Sonne und Wind in Batterien zu speichern“, sagt Professor Maximilian Fichtner, geschäftsführender Direktor des HIU sowie Sprecher von POLiS.