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04.09.2020
Die Projekte der europäischen Forschungsinitiative BATTERY 2030+ haben alle Ihre Forschung aufgenommen. Ziel ist es, Europa bei der Entwicklung und Produktion der Batterien der Zukunft an die Weltspitze zu bringen. Diese Batterien müssen mehr Energie speichern, eine längere Lebensdauer haben und sicherer und umweltfreundlicher als die heutigen Batterien sein, um den Übergang zu einer klimaneutraleren Gesellschaft zu erleichtern. Das Projekt wird von der Universität Uppsala geleitet. Über die Forschungsplattform CELEST sind das KIT und die Universität Ulm mit ihrem gemeinsamen Helmholtz-Institut Ulm (HIU) beteiligt. Gleichzeitig verstärkt das Projekt die Forschungsaktivitäten vom Exzellenzcluster POLiS.
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„Wir sind endlich einsatzbereit! Dies ist eine wichtige langfristige Forschungsinvestition auf dem Gebiet der Batterien, die Europas Forschungsposition stärken und dazu beitragen wird, eine Industrie zu haben, die die Batterien der Zukunft herstellen kann“, sagt Professor Kristina Edström von der Universität Uppsala, die Koordinatorin von BATTERY 2030+ ist. „Wir arbeiten seit mehreren Jahren an der Roadmap, auf die wir unsere Forschungsanstrengungen stützen und die wir im März dieses Jahres vorgestellt haben. Jetzt beginnen die verschiedenen Forschungsprojekte, und wir sorgen dafür, dass unsere Ideen zu neuem Wissen und neuen Produkten führen – und natürlich zu besseren Batterien.
Ab dem 1. September besteht diese große Initiative aus sieben Projekten mit einem Gesamtbudget von 40,5 Millionen Euro aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der EU.
BATTERY 2030+ ist ein großes Forschungsumfeld, wobei Schweden und die Universität Uppsala die Gesamtaktivitäten koordinieren. Ziel ist es, umweltfreundlichere und sicherere Batterien mit besserer Leistung, größeren Lagermöglichkeiten und längerer Lebensdauer zu schaffen. Die aktuellen Forschungsprojekte sind in drei verschiedenen Bereichen angesiedelt:
I. Entwicklung einer europäischen Infrastrukturplattform zur Kombination von groß angelegten Berechnungen und experimentellen Studien, um die komplexen Reaktionen, die in einer Batterie ablaufen, abzubilden.
II. Entwicklung und Integration von Sensoren, die den Zustand der Batterie in Echtzeit untersuchen und darüber berichten.
III. Entwicklung von selbstheilenden Komponenten, die die Lebensdauer der Batterie verlängern und die Sicherheit verbessern.
Read our press release: https://t.co/YRHmg9WNq9.@BIGMAP_EU @FutureTechEU @EU_Commission #researcheu #batteries #innovation https://t.co/dM2gtnbuwI pic.twitter.com/6Jr6vxqLvz
— BATTERY 2030 + (@2030Battery) September 14, 2020
Fakten zu den Projekten
BIG-MAP (www.big-map.eu) unter der Leitung von Professor Tejs Vegge, Technische Universität Dänemark, ist ein Projekt, das KI-unterstützte Methoden entwickeln wird, um die Entdeckung neuer Materialien und Batteriekonzepte zu beschleunigen. Es basiert auf der Schaffung neuer Berechnungsmodelle und experimenteller Methoden, die Hand in Hand gehen können, um die komplexen Reaktionen zu verstehen, die innerhalb der Batterie ablaufen. Es versucht zu verstehen, welche Elektrodenmaterialien und Elektrolyte am besten kombiniert werden können, damit eine Batterie so viel Energie wie möglich speichern oder in verschiedenen Situationen schnell geladen werden kann. Die Liste der Partner umfasst akademische und industrielle Führungskräfte sowie große Forschungsinfrastrukturen in Europa, wie Synchrotron- und Neutronenanlagen sowie Hochleistungsrechenzentren.
INSTABAT, unter der Leitung von Dr. Maud Priour, CEA Frankreich, wo vier eingebettete physikalische Sensoren (optische Fasern mit Fiber-Bragg-Gitter und Lumineszenzsonden, Referenzelektrode und photoakustischer Gassensor) und zwei virtuelle Sensoren (basierend auf elektrochemischen und thermischen reduzierten Modellen) entwickelt werden, um eine zuverlässige operando-Überwachung der Schlüsselparameter von Batteriezellen durchzuführen.
Unter der Leitung von Jon Crego, Ikerlan in Spanien, wird SENSIBAT Sensoren entwickeln, die die interne Temperatur, den Druck, die Leitfähigkeit und die Impedanz von Batterien messen. Diese Sensoren werden in ein Batteriesystem integriert und ermöglichen die Entwicklung fortschrittlicher Batteriezustandsalgorithmen. Die Ergebnisse werden verwendet, um eine genauere Steuerung und eine höhere Leistung der Batterie während ihrer gesamten Lebensdauer zu erreichen.
SPARTACUS unter der Leitung von Gerhard Domann, Fraunhofer ISC, Deutschland, wird integrierte akusto-mechanische und thermische Sensoren entwickeln und sie mit fortschrittlicher Impedanzspektroskopie kombinieren, um Reaktionen, die zu einer Verschlechterung der Batterie führen, zu erkennen und zu verstehen. Diese umfassende Sensorlösung wird ein fortschrittliches Batteriemanagement ermöglichen, das ein schnelles Laden von Batteriemodulen ohne wesentliche negative Auswirkungen auf Lebensdauer und Sicherheit ermöglicht.
BAT4EVER unter der Leitung von Dr. Maitane Berecibar, Vrije Universiteit Brussel, zielt auf die Entwicklung und Untersuchung eines neuen Typs von Lithium-Ionen-Batterien ab, der selbstheilende Polymere in Siliziumanoden, Kathoden mit Kern-Hülle-Struktur und Elektrolyten integriert. Die selbstheilenden Batterien von BAT4EVER werden die Mikroschäden tolerieren und Elementverluste während mehrfacher Aufladezyklen ausgleichen. Sie werden sicherer und haltbarer sein und durch die Einführung ausgeklügelter Heilungsmechanismen mehr Energie speichern und behalten als heutige Batterien.
HIDDEN wird von Dr. Marja Vilkman, VTT, Finnland, geleitet. Das Projekt wird neue Arten von Elektrolyten und Separatoren mit „selbstheilenden“ Eigenschaften untersuchen. Die Herausforderung besteht darin, Festphasenbatterien mit Lithiummetall als negativer Elektrode herzustellen, um die Kapazität der Batterie zu erhöhen.
BATTERY 2030+ (https://battery2030.eu/about-us/partners/core-group/) wird von Professor Kristina Edström von der Universität Uppsala geleitet. Das Projekt ist eine Koordinierungs- und Unterstützungsmaßnahme, die die gemeinsamen Aktivitäten im Rahmen der Initiative BATTERY 2030+ erleichtern wird, wie z.B. Verbreitung, Datenaustausch, Lehrpläne, Nutzungsstrategien und Weiterentwicklung der Roadmap. Darüber hinaus wird das Projekt starke Verbindungen zu nationalen Batterienetzwerken sicherstellen und eng mit anderen großen europäischen Batterieinitiativen wie der European Battery Alliance und Batteries Europe zusammenarbeiten.
20.08.2020
Prof. Maximilian Fichtner, Stv. Direktor am HIU, war am 20. August 2020 zu Gast in der Fernsehsendung „Scobel“. Thema der wissenschaftlichen 3sat-Sendung war „Projekt Strom“. Als Batterie-Experte beantwortete Fichtner zahlreiche Fragen zu zukünftigen Strom- und Energiespeichern und stellte innovative Methoden in der Batterieforschung vor.
Im Zentrum der Diskussion immer wieder die Rolle von Batterien in Elektroautos. Die oftmals in der Öffentlichkeit kritisierte Verwendung von Kobalt in Batterien ließ Fichtner nicht unkommentiert: „Die Forschung hat bereits früh antizipiert, wohin die Reise gehen kann. Eine Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors wird im Jahre 2025 mehr Kobalt enthalten als die Batterie eines E-Autos.“ Die Debatte rund um die Nachteile der giftigen Kobalt-Förderung gehöre also bald der Geschichte an. Ebenso kursierten laut Fichtner immer noch zahlreiche weitere Mythen rund um Batterien. Vorstellungen zu „begrenzter Lebensdauer“ von Batterien entsprächen längst nicht mehr dem aktuellen Forschungsstand.
Immer wieder räumte Fichtner mit allgemeinen Missverständnissen auf: „Es gibt keine Seltenen Erden in Batterien.“ Auch wenn die Förderung von Lithium nicht unproblematisch sei, müssten Rohstoff-Alternativen wie der Abbau und Verbrauch fossiler Energieträger immer in Relation zur Lithiumförderung gesehen werden. Ähnlich verhalte es sich mit dem vielzitierten Grundwasserverbrauch in der Atacama-Wüste – dem „Lithium-Dreieck“ zwischen Bolivien, Argentinien und Chile. Die dortige Lithium-Förderung stand immer wieder in der Kritik, da der Grundwasserspiegel in dieser Region stark absinkt. „Das Problem ist, der Grundwasserspiegel sinkt kontinuierlich seit den 1960er Jahren. Diese Absenkung ist allerdings nur teilweise dem Lithiumabbau zuzuordnen“, so Fichtner. Er führte aus, dass beispielsweise nahegelegene Kupferminen ebenso zu der Problematik beitrügen wie die Förderung von Lithiumvorkommen.
Erneuerbare Energien sind der Schlüssel zur #Energiewende, brauchen aber innovative Speichertechnologien. Über Möglichkeiten und Herausforderungen sprechen Maximilian Fichtner und Rafaela Hillerbrand vom KIT in der @3sat-Sendung #Scobel – Projekt Strom.https://t.co/qIQmRn5DhK pic.twitter.com/J7FL7R7ojb
— KIT Karlsruhe (@KITKarlsruhe) August 30, 2020
Die gesamte Sendung in der 3sat-Mediathek
https://www.3sat.de/wissen/scobel/scobel—projekt-strom-102.html
Beschreibung der Sendung vom 20.08.2020
„Da wird munter und erfolgreich an der Energiewende gearbeitet, weltweit wird gigawattweise Strom aus Sonnen- und Windkraft erzeugt. Doch die drängende Frage, wohin mit der ganzen Energie, bleibt unbeantwortet. Gert Scobel diskutiert mit seinen Gästen.Aus den Forschungslaboren dieser Welt hört man zwar regelmäßig von technologischen Durchbrüchen in der Entwicklung von Stromspeichersystemen. Schaut man aber genauer hin, sind dies meist nur Prototypen, die im Alltag nicht einsetzbar sind. Auch die Entwicklung von Stromspeichern für die boomende E-Mobilität kommt nicht wirklich voran. Die durchschnittlichen Kapazitäten von Batterien in E-Autos, aus der sich die mögliche Reichweite ergibt, sind immer noch bescheiden. Technologische Hürden können anscheinend nur schwer überwunden werden. Es braucht also dringend neue Ideen, neue Konzepte und technologische Innovationen für das Speichern von Energie.“
01.08.2020
Prof. Dr. Stefano Passerini, Dr. Dominic Bresser, Dr. Arianna Moretti und Dr. Alberto Varzi haben einen enzyklopädischen Leitfaden für gegenwärtige und zukünftige Batterietechnologien herausgegeben.
„Batteries – Present and Future Energy Storage Challenges“ ist ein umfassendes, zweibändiges Handbuch, das einen gegenwärtigen Überblick über die heute verwendeten Batterietechnologien bietet. Es enthält Informationen zu den geeigneten Materialien, die das Potenzial für eine weitere Verbesserung der Energie- und Leistungsdichten aufweisen. Die Publikation „Batteries“ ist Teil der „Encyclopedia of Electrochemistry“ und enthält Beiträge eines renommierten Gremiums internationaler Experten auf dem Fachgebiet.
Upcoming release: „#Batteries – Present and Future #Energy Storage Challenges“. Prof. Passerini, D. Bresser, A. Moretti and A. Varzi are publishing comprehensive, twovolume handbook. It offers an in-depth review of battery technologies in use today. ??https://t.co/Yj8TQqaZpV pic.twitter.com/qdQvPslOFZ
— Helmholtz Institute Ulm (@HelmholtzUlm) May 12, 2020
Batterien sind im modernen Leben äußerst verbreitet. Sie versorgen Autos, Flugzeuge, elektronische Geräte und intelligente Stromnetze mit elektrochemisch gespeicherter Energie in Form von Elektrizität. Die Publikation „Batteries“ enthält Informationen zu etablierten Batterietechnologien wie Blei-Säure- und Lithium-Ionen-Batterien auf der Basis von Ladungsträgern. Die Autoren untersuchen aktuelle Entwicklungen bei neuen Technologien wie Lithium-Schwefel- und Sauerstoff-, Natriumionen- und organischen Vollbatterien. Diese Fachpublikation:
– enthält Informationen zu den neuesten und aktuellsten Informationen zu Batterietechnologien sowie Gedanken zu zukünftigen Batterietechnologien;
– enthält Beiträge namhafter Fachleute;
– bietet einen zugänglichen Leitfaden für Neueinsteiger auf dem Gebiet der elektrochemischen Speicherung und dient als gut strukturierte Zusammenfassung für diejenigen, die bereits auf diesem Gebiet tätig sind.
„Batteries“ wurde für Elektrochemiker, physikalische Chemiker und Materialwissenschaftler geschrieben und ist ein zugängliches Kompendium, das einen gründlichen Überblick über die wichtigsten aktuellen Batterietechnologien bietet und die Technologie in den kommenden Jahren untersucht.
ISBN: 978-3-527-34576-2
Reihe: „Encyclopedia of Electrochemistry“
Hardcover: 900 Seiten
Verlag: WILEY VCH; 1. und 2. Auflage (August 2020)
Sprache: Englisch
Stefano Passerini ist Direktor am Helmholtz-Institut Ulm, Professor am Karlsruher Institut für Technologie und Gruppenleiter der Forschergruppe Electrochemistry for Batteries.
Dominic Bresser ist Gruppenleiter der Forschergruppe Electrochemical Energy Storage Materials am Helmholtz-Institut Ulm.
Arianna Moretti war leitende Wissenschaftlerin am Helmholtz-Institut Ulm für elektrochemische Energiespeicherung am Karlsruher Institut für Technologie.
Alberto Varzi ist Gruppenleiter der Forschergruppe „Electrochemistry of Materials and Interfaces“ am Helmholtz-Institut Ulm.
17.07.2020
Das EU-Projekt BIG-MAP (Battery Interface Genome – Materials Acceleration Platform) soll die Geschwindigkeit, mit der neue Batterietypen entwickelt werden können, erheblich beschleunigen und das mit einem besonderen Fokus auf Nachhaltigkeit. Über die Forschungsplattform CELEST, das KIT und die Universität Ulm ist das Helmholtz-Institut Ulm (HIU) an dem Projekt beteiligt. Gleichzeitig verstärkt das Projekt die Forschungsaktivitäten des Exzellenzclusters POLiS.
Batterien spielen beim Ausstieg aus fossilen Brennstoffen, insbesondere im Verkehrssektor, eine entscheidende Rolle. Um die von der EU und Deutschland gesteckten Klimaschutzziele bis 2050 zu erreichen, benötigen wir kostengünstigere und nachhaltigere Alternativen zu den bestehenden Batterien. Dies stellt eine große Herausforderung dar, denn die Entwicklung neuer Batterien dauert mit derzeitigen Methoden recht lange. BIG-MAP zielt darauf ab, die Geschwindigkeit der Batterieentwicklung zu beschleunigen, indem die Art und Weise, wie Batterien erfunden werden, verändert wird, sodass künftige nachhaltige und ultrahochleistungsfähige Batterien zehnmal schneller entwickelt werden können als heute.
Das Budget für das Projekt beläuft sich auf 16 Millionen Euro, das auf 34 Institutionen aus 15 Ländern aufgeteilt wird. Das KIT ist mit seinen drei Professoren Maximilian Fichtner, Wolfgang Wenzel und Helge Stein nach der koordinierenden Technical University of Denmark (DTU) größter Fördersummenempfänger. BIG-MAP ist das größte Einzelforschungsprojekt der groß angelegten europäischen Forschungsinitiative für Batterien, BATTERY2030+. Das Projekt wird zunächst über die nächsten drei Jahre laufen, mit der Option auf eine Verlängerung um weitere sieben Jahre.
We are happy to be part of the BIG-MAP project within @2030Battery which is intended to significantly accelerate the speed at which new battery types can be developed, with a special focus on sustainability. More info: https://t.co/A6A3uR3gwz @BIGMAP_EU pic.twitter.com/IlRTHhk8BL
— POLiS_Cluster (@ClusterPolis) July 20, 2020
„Bei BATTERY 2030+ und BIG-MAP müssen wir die Art und Weise, wie wir Batterien erfinden, neu erfinden. Im vergangenen Jahr ging der Nobelpreis für Chemie an die Erfinder der Lithium-Ionen-Batterie. Eine fantastische Erfindung, aber es dauerte 20 Jahre von der Idee bis zum Produkt – wir müssen in der Lage sein, es in einem Zehntel dieser Zeit zu schaffen, wenn wir nachhaltige Batterien für die Energiewende bereitstellen wollen“, sagt Tejs Vegge, Professor an der DTU und Leiter von BIG-MAP.
„Die Vision besteht nicht nur darin, neue Batterien viel schneller entwickeln zu können, sondern auch sicherzustellen, dass sie Energie effizient speichern können, nachhaltig und zu so niedrigen Kosten hergestellt werden können, dass es in Zukunft noch attraktiver sein wird, Strom z.B. aus Sonne und Wind in Batterien zu speichern“, sagt Maximilian Fichtner, wissenschaftlicher Sprecher von CELEST und POLiS sowie stellvertretender Direktor am HIU. „Eine Neuausrichtung der bestehenden Entdeckungs-, Entwicklungs- und Herstellungsprozesse für Batteriematerialien und -technologien ist notwendig, damit Europa es mit seinen Hauptkonkurrenten in den USA und Asien aufnehmen kann.“
Ziel von BIG-MAP ist unter anderem, eine gemeinsame europäische Dateninfrastruktur und kooperative Arbeitsabläufe zu entwickeln, die in der Lage sind, Daten aus allen Bereichen des Batterieentwicklungszyklus autonom zu erfassen, zu verarbeiten und zu nutzen. Die für die beschleunigte Materialentdeckung benötigte künstliche Intelligenz (KI) wird durch die Gruppe von Helge Stein federführend entwickelt und über den europäischen Kontinent verteilt. Von KI orchestrierte Experimente und Synthese werden große Mengen erfasster Daten mit Fokus auf Batteriematerialien, Schnittstellen und Zwischenphasen nutzen. Die Daten werden aus Computersimulationen, autonomer Hochdurchsatz-Materialsynthese und -charakterisierung, in Operando-Experimenten und Tests auf Geräteebene generiert. Neuartigen KI-basierten Werkzeugen und Modellen werden die Daten dazu dienen, das Zusammenspiel zwischen Batterie-Materialien und Grenzflächen zu „erlernen“ und so die Grundlage für die Verbesserung zukünftiger Batteriematerialien, Grenzflächen und Zellen zu schaffen.
„Wir werden in der Lage sein, den komplexen chemischen Raum mithilfe von autonom agierenden Robotern in nie dagewesener Geschwindigkeit und Qualität zu erkunden. Unser Verständnis wird hierbei durch eine zentrale Künstliche Intelligenz unterstützt“, erläutert Helge Stein, Juniorprofessor am HIU und Sprecher einer Research Unit bei POLiS.
BIG-MAP-Forscher*innen müssen über Landesgrenzen hinweg zusammenarbeiten und dabei Labore nutzen, die über große Entfernungen und Zeitzonen verteilt sind. Unter diesen Umständen wäre die Koordination von Tests und die Verteilung von Daten und Materialien mit herkömmlichen Methoden sehr kompliziert. Um BIG-MAP herum wird eine vollkommen neue Infrastruktur errichtet, die den Austausch von Daten unmittelbar nach der Erhebung ermöglicht. Ein physischer Zugang zu den Testeinrichtungen wird auf diese Weise kaum noch notwendig sein.
Website BIG-MAP
Website BATTERY 2030+
08.07.2020
Special publication on Energy Storage and Conversion Research at Science City Ulm
The ongoing energy revolution, ranging from mobility to grid stabilization and home storage, has come to reality thanks to many scientific and technological breakthroughs in the field of batteries and fuel cells. For instance, Lithium-ion batteries are now the electrochemical energy storage of choice for hybrid electric and fully electric vehicles. It is therefore no surprise that the three inventors of such disruptive battery technology have been rewarded with the Nobel Prize 2019 in chemistry. Interestingly, Prof. M. Stanley Whittingham, one of the three 2019 Chemistry Laureates, received the call from Stockholm after his plenary talk at the 12th Advanced Batteries for Automotive Applications (ABAA-12) conference organized in Ulm, Germany, by ZSW and HIU.
The city of Ulm, besides being the birthplace of Albert Einstein and having the world’s highest church steeple, has become through the years an excellence center for energy storage and conversion related science. Several highly ranked institutes are working on this exciting field, spacing from fundamental to applied and industry-oriented research.
Everything started in 1967, with the foundation of Ulm University. First planned as support for the medical education, natural sciences became mature enough to form an independent faculty that steadily grew to its present strength. While in the 1970s and 80s electrochemistry was considered an almost fully explored field where not much could be learned anymore, it was the vision of Ulm University to keep a strong activity in this area. Being one of the last centers for electrochemical research in Germany, the internationally renowned Institute of Electrochemistry at Ulm University significantly contributed to the connection of surface science with electrochemistry. Based on this so-called electrochemical surface science many new techniques were developed that for the first time allowed studying electrochemical systems and processes even on an atomistic scale. Due to these detailed insights electrochemistry underwent a real renaissance, turning out to still bear many fascinating and exciting secrets.
Afterwards, in 1988, the ZSW (Center for Solar Energy and Hydrogen Research Baden-Württemberg) was established as a non-profit foundation with a clear vision on the future. ZSW mainly focuses on research and development of technologies for sustainable and climate-friendly generation of heat and fuel, as well as, production and storage of electricity. Furthermore, ZSW aims at transferring of R&D results to market-relevant products (technology transfer), and consulting political decision-makers and professional associations. Today, ZSW is one of the leading energy research institutes in Europe.
The role of Ulm as excellence center for energy-related science was further strengthened in 2011, with the foundation of the HIU, Helmholtz Institute Ulm for Electrochemical Energy Storage. Born from the cooperation between Ulm University and KIT (Karlsruhe Institute of Technology), with ZSW and DLR (German Aerospace Center) as associate partners, HIU charges itself with the task of pursuing application-driven fundamental questions in electrochemical energy storage. The primary aim of HIU is to develop sustainable, next-generation battery technologies. Unlike any other research institute in Germany, HIU combines the complementary expertise of the four founding organizations under one roof, bringing together virtually all areas of battery research in one institution. These joint efforts recently resulted in the establishment of the research platform CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe), which embeds the POLiS (Post Lithium Storage) Cluster of Excellence.
This collection of papers aims at highlighting some of the latest advances achieved by the large community of scientists working on energy conversion and storage at Science City Ulm.
Guest Editors: Birger Horstmann, Timo Jacob, Mario Marinaro, Stefano Passerini, Alberto Varzi
Energy Storage and Conversion Research at Science City Ulm
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/toc/10.1002/(ISSN)1864-564x.EnergyStorageConversionResearchUlm
02.06.2020
Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) besetzt am Helmholtz-Institut Ulm (HIU) eine Tenure-Track-Professur mit Dr.-Ing. Helge S. Stein vom Caltech (California Institute of Technology). Stein wird mit seiner Arbeitsgruppe am HIU für das Exzellenzcluster POLiS forschen und am Institut für Physikalische Chemie lehren. Das Konzept der Tenure Track ist dem amerikanischen Bildungssystem entlehnt und soll den Weg in die Professur erleichtern und das deutsche Berufungssystem international wettbewerbsfähiger machen.
Helge Stein wird mit seiner Gruppe eine autonome Materialsynthese, Hochdurchsatz-Charakterisierung, Data-Mining-Techniken unter Zuhilfenahme von Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) in der Versuchsauswertung und -planung entwickeln. Dies soll die Erforschung und das Verständnis neuer Batteriematerialien entscheidend beschleunigen. Batterieforschung ist geprägt von der Suche nach der idealen Verbindung aus Materialien und Verfahrenstechniken, wie z.B. Erhitzen, Kühlen oder Mischen. Alle Variationen mit allen Materialien zu testen, würde mit klassischen Methoden Jahrtausende in Anspruch nehmen. Stein wird mit seinen Mitarbeitenden in Ulm mehrere Roboter installieren, die in der Lage sind, mehrere tausend solcher Variationen am Tag zu testen. Dies entspricht in etwa dem durchschnittlichen Lebenswerk einer/s Forschenden und erzeugt eine enorme Menge an Informationen. Mithilfe von Algorithmen und KI werden die Qualität und der Informationsgehalt der Messungen des Roboters vollautomatisch ausgewertet. Die KI plant auf der Grundlage von allen Daten ein optimales Folgeexperiment. Neben der Beschleunigung durch Automatisierung kann so eine zusätzlich um den Faktor 30 schnellere Optimierung erreicht werden. Auf diesem Wege ist es möglich chemisches „Neuland“ kostengünstig und schnell zu kartographieren.
The @KITKarlsruhe has appointed Dr. Helge S. Stein @helsoeste from CalTech as junior professor. We are looking forward to his research for POLiS at @HelmholtzUlm https://t.co/Dwpga3TYei #battchat pic.twitter.com/uOv58ETDWm
— POLiS_Cluster (@ClusterPolis) June 2, 2020
Helge Stein wurde 1988 in Hamburg geboren und wuchs in Lüneburg auf. 2008 nahm er ein Physik-Studium an der Georg-August-Universität in Göttingen auf. Seine Bachelorarbeit verfasste er über künstliche Photosynthese an Manganoxiden zur Erzeugung sogenannter „solarer Treibstoffe“. Seine Masterarbeit thematisierte den Aufbau einer Hochdurchsatzanlage. 2013 begann er seine Promotion am Institut für Materialwissenschaften der Ruhr-Universität Bochum über ein Stipendium der Max Planck Research School SurMat wo er sich mit der Hochdurchsatzcharakterisierung von Photokathoden zur nachhaltigen Wasserstofferzeugung beschäftigte. Schon früh musste er große Datensätze analysieren und spezialisierte sich als einer der wenigen Experten auf das maschinelle Lernen für die experimentellen Materialwissenschaften. 2015 folgte ein Austausch-Semester im Rahmen des REACH Programmes des Keller Center an der Princeton University (New Jersey, USA). Nach seiner Promotion hatte er von 2017 bis 2019 am Caltech (Kalifornien, USA) eine Postdoc-Stelle als Research Engineer in der Forschungsgruppe von Dr. Gregoire inne. Dort forschte er bis zu dem Ruf des KIT an maschinellem Lernen für die experimentellen Materialwissenschaften.
Die erste Online-Konferenz „European Perspectives on Batteries of the Future“ (25./26. Mai 2020) der EU-Batterie-Initiative „BATTERY 2030+“ gestaltete plötzlich viel größer als geplant: Zeitweise verfolgten rund 750 Teilnehmer*innen zeitgleich den Videostream der Konferenz. Ausgelegt war die Veranstaltung zuvor für nur rund 100 Anwesende.
Aufgrund der weltweit grassierenden COVID-19-Pandemie schalteten sich die 17 Vortragenden stattdessen per Videobild aus ihren Büros oder von zuhause zu. Die Teilnehmer*innen konnten dabei jederzeit Fragen und Kommentare zu einzelnen Präsentationen und Vorträgen einbringen.
Day two of the #battery2030+ web conference about European perspectives on batteries of the future, today with eight scientific presentations. ?
Program + more info ? https://t.co/2Pbxvdk3Ht#batteries #EUresearch #innovation pic.twitter.com/x0ahoxZvd9
— BATTERY 2030 + (@2030Battery) May 26, 2020
Christian Punckt, Geschäftsführer des Exzellenzclusters „Post-Lithium-Storage“ (POLiS) und Organisator der Online-Konferenz, betonte die unerwartete Reichweite der Konferenz: „Ohne Übertreibung können wir wohl sagen, dass es mit über 1.000 registrierten Teilnehmern und gleichzeitiger Anwesenheit von 750 Teilnehmer*innen die größte Online-Batteriekonferenz aller Zeiten war.“
Aus allen Teilen der Welt verfolgten Wissenschaftler*innen, Politiker*innen und Journalist*innen das Vortragsprogramm. „Wir hatten einige Vertreter der EU-Kommission dabei, und auch wenn die überwiegende Mehrzahl der Teilnehmer aus Universitäten kam, war doch auch die Industrie zahlreich vertreten“, so Punckt.
Die Konferenz wurde vom „Center for Electrochemical Energy Storage Ulm-Karlsruhe“ (CELEST) organisiert. Sie bot eine Übersicht über die in Europa durchgeführten Forschungsarbeiten im Zusammenhang mit der neu eingeführten Roadmap BATTERY 2030+. Ihr Zweck war es, die wissenschaftlichen Diskussionen innerhalb der Gemeinschaft BATTERY 2030+ als Grundlage heranzuziehen für die nächste Phase, den Startschuss als groß angelegte Forschungsinitiative.
Der stellvertretende Direktor des HIU, Prof. Maximilian Fichtner, moderierte die Veranstaltung. Zudem stellten die beiden HIU-Forscher Helge Stein und Marcel Weil ihre Forschung vor.
Die Konferenz bildete alle aktuellen Bereiche der Batterieforschung ab. „Von hochmodernen Aktivitäten zur theoretischen Modellierung, Synthese, Analyse, Herstellung und Technologie-Beurteilung bis hin zu paradigmenwechselnden neuen Aktivitäten wie autonomen Robotern mit Maschinellem Lernen für die Materialbeschleunigungsplattform” gäbe es schon jetzt eine tiefgreifende Basis für jedes Forschungsgebiet der Initiative von BATTERY2030+, erläutert Fichtner.
BATTERY 2030+ ist die groß angelegte und langfristige europäische Forschungsinitiative mit der Vision, die nachhaltigen Batterien der Zukunft zu erfinden, um Europa in die Lage zu versetzen, die Ziele einer klimaneutralen Gesellschaft zu erreichen, die im europäischen Green Deal vorgesehen sind.
Das „Center for Electrochemical Energy Storage Ulm-Karlsruhe“ (CELEST) hatte vom 25. bis 26. Mai 2020 seine erste web-basierte Wissenschaftskonferenz abgehalten, um Perspektiven für zukünftige Batterien in Europa zu erörtern.
Link zu den Konferenz-Videos (Mitschnitte)
25.05.2020
Das „Center for Electrochemical Energy Storage Ulm-Karlsruhe“ (CELEST) veranstaltet vom 25. bis 26. Mai 2020 seine erste web-basierte Wissenschaftskonferenz, um Perspektiven für zukünftige Batterien in Europa zu erörtern.
25.-26. Mai 2020: Erste Webkonferenz zu europäischen Perspektiven für Batterien der Zukunft (BATTERY 2030+)
25. Mai, 13:00 – 17:10 Uhr
26. Mai, 09:00 – 12:10 Uhr
Die Konferenz wird die in Europa durchgeführten Forschungsarbeiten im Zusammenhang mit der neu eingeführten Roadmap BATTERY 2030+ darstellen. Ziel ist es, die wissenschaftlichen Diskussionen innerhalb der BATTERY 2030+-Community als Grundlage für die nächste Phase der groß angelegten Forschungsinitiative anzustoßen.
Konferenzprogramm: Battery2030+_European_Perspectives_on_Future_Batteries
Die Vision von BATTERY 2030+ ist es, die Batterien der Zukunft zu erfinden und der europäischen Industrie disruptive Technologien und einen Wettbewerbsvorteil über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg zu verschaffen. BATTERY 2030+ wird ultrahochleistungsfähige, zuverlässige, sichere, nachhaltige und erschwingliche Batterien durch einen interdisziplinären, transformativen Forschungsansatz verfolgen und Fortschritte in den Bereichen künstliche Intelligenz, Robotik, Sensoren und intelligente Systeme nutzen. Die von BATTERY 2030+ entwickelte bahnbrechende Wissenschaft und Technologie wird einen unschätzbaren Einfluss auf den laufenden Übergang zu einer klimaneutralen und Kreislaufwirtschaft haben.
CELEST ist eine der ehrgeizigsten Forschungsplattformen in der Batterieforschung weltweit. Die Plattform zielt darauf ab, die Kommunikation und Zusammenarbeit zwischen den beteiligten Wissenschaftlern zu verbessern und den Weg für neue, interdisziplinäre Kooperationen zu ebnen. CELEST koordiniert gemeinsame Aktivitäten mit anderen Universitäten und Forschungseinrichtungen sowie mit der Industrie im In- und Ausland.
09.04.2020
Um die Batterien der Zukunft zu entwickeln, haben Partner aus Wissenschaft und Industrie aus ganz Europa die Forschungsinitiative BATTERY 2030+ auf den Weg gebracht. Eine Roadmap präzisiert nun die Meilensteine: eine gemeinsame Plattform zur Materialentwicklung mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI), vernetzte Sensoren und Selbstheilungstechnologie für Batterien sowie nachhaltige Herstellungs- und Recyclingverfahren. Über die Forschungsplattform CELEST ist das HIU, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Universität Ulm sowie das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) an dem Konsortium beteiligt.
Roadmap für die #Batterieforschung ? in Europa ??: Die europäische Forschungsinitiative BATTERY 2030+ präsentiert ihre Ziele – Forschungsplattform CELEST mit KIT, Universität Ulm und ZSW beteiligt. https://t.co/ASxHKFKQlq pic.twitter.com/yUeE1vu0YN
— KIT Karlsruhe (@KITKarlsruhe) April 9, 2020
Der Wandel zur klimaneutralen Gesellschaft erfordert grundlegende Veränderungen in der Art und Weise, wie wir Energie erzeugen, nutzen – und speichern. Leistungsstarke Batteriespeicher, die gleichzeitig nachhaltig, sicher und günstig sind, sind das Ziel der europäischen Forschungsinitiative BATTERY 2030+. Nun haben die beteiligten Forschungsinstitutionen und Unternehmen eine Roadmap veröffentlicht, die sowohl die Eigenschaften der Batterien der Zukunft definiert, als auch Maßnahmen zur Beschleunigung der Entwicklung aufführt. Dabei werden drei Hauptforschungsrichtungen identifiziert: „Wir wollen die Suche nach neuen Materialien und dem richtigen Materialmix beschleunigen, neuartige Funktionen auf den Weg bringen sowie Herstellungs- und Recyclingkonzepte etablieren“, sagt Professor Maximilian Fichtner, Stellvertretender Direktor am Helmholtz-Institut Ulm und wissenschaftlicher Sprecher des Zentrums für Elektrochemische Energiespeicherung Ulm-Karlsruhe (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe, kurz CELEST). „Mit BATTERY 2030+ bringen wir nun die Expertise auf den jeweiligen Teilgebieten in ganz Europa zusammen und arbeiten koordiniert. So haben wir die Chance, in der Batterieentwicklung weltweit vorne mitzumischen, auch im Wettbewerb mit den USA und Asien.“
Beschleunigte Materialentwicklung mit Künstlicher Intelligenz
Um zu lernen, wie sich bestimmte Materialien verhalten und wie sie eingesetzt werden müssen, um bestimmte Eigenschaften hervorzurufen, soll mit Battery 2030+ zunächst eine weltweit einzigartige Hochdurchsatzanlage (MAP, Materials Acceleration Platform) aufgebaut werden. Die Kombination von automatisierter Synthese, Charakterisierung und Materialmodellierung sowie Data-Mining-Techniken und KI in der Versuchsauswertung und -planung soll die Entwicklung von neuen Batteriematerialien entscheidend beschleunigen. Aufbauend auf dieser gemeinsamen Plattform wird sich BATTERY 2030+ an die Analyse der Eigenschaften von Materialschnittstellen machen, etwa der Schnittstelle zwischen Elektrode und Elektrolyt oder zwischen aktivem Material und unterschiedlichen Zusätzen. Dieses „Schnittstellengenom“ (BIG, Battery Interface Genome) soll den Forscherinnen und Forschern dabei helfen, vielversprechende Ansätze für neue, hochleistungsfähige Batterien zu entwickeln.
Intelligente Funktionalitäten und ein nachhaltiger Entwicklungsprozess
Externe Faktoren wie extreme Temperaturen, mechanische Beanspruchung, übermäßige Leistung während des Betriebs oder einfach nur die Alterung im Laufe der Zeit wirken sich nachteilig auf die Leistung einer Batterie aus. Die Forscherinnen und Forscher von BATTERY 2030+ haben sich deshalb vorgenommen, gemeinsam intelligente und vernetzte Sensorkonzepte zu entwickeln, die zukünftig chemische und elektrochemische Reaktionen direkt in der Batteriezelle beobachten sollen. Sie könnten frühe Stadien des Batterieversagens oder unerwünschte Nebenreaktionen entdecken, die zur Batteriealterung führen. Außerdem sollen die Batterien der nächsten Generation mit „Selbstheilungskräften“ ausgestattet werden: Schäden im Inneren einer Batterie, die sonst zu einem Batterieversagen führen, können durch geschickten Materialeinsatz ausgeglichen werden. Durch Sensoren und Selbstheilung sollen die Batterien zukünftig noch zuverlässiger und ausdauernder werden. So werden auch gebrauchte Zellen von hoher Qualität für einen zweiten Einsatz attraktiv. Außerdem verfolgt Battery 2030+ bereits bei der Entwicklung das Ziel einer möglichst großen Nachhaltigkeit. Parameter wie ressourcensparende Herstellbarkeit, die Recyclingfähigkeit, kritische Rohstoffe und Toxizität fließen direkt in die Algorithmen der MAP-basierten Entwicklung neuer Batteriekonzepte ein.
Die ersten Vorhaben aus der Roadmap für BATTERY 2030+ wurden von der EU bereits bewilligt und können nun starten. CELEST ist dabei entscheidender Akteur im Projekt zur beschleunigten Materialentwicklung, Modellierung und Datenauswertung mittels KI sowie der damit verbundenen autonomen Robotik.
Zur Roadmap: https://battery2030.eu/research/roadmap/
Über das Konsortium BATTERY 2030+
Zum Konsortium von BATTERY 2030+ gehören neben dem KIT und der Universität Ulm fünf Universitäten: die Universität Uppsala (Koordinator), das Polytechnische Institut Turin, die Technische Universität Dänemark, die Freie Universität Amsterdam und die Universität Münster; mehrere Forschungszentren: das Französische Forschungszentrum für Alternative Energien und Kernenergie CEA, das Französische Nationale Zentrum für wissenschaftliche Forschung CNRS, das Forschungszentrum Jülich, die Fraunhofer-Gesellschaft, Fundacion Cidetec, das Nationale Institut für Chemie Slowenien, die Organisation für angewandte und technische Forschung Norwegen; sowie die Industriefachverbände EMIRI, EASE und RECHARGE und das Unternehmen Absiskey. Unterstützung erhält das Konsortium von offiziellen europäischen und nationalen Gremien, unter anderem von ALISTORE ERI, EERA, EIT InnoEnergy, EIT RawMaterials, EARPA, EUROBAT, EGVI, CLEPA, EUCAR, KLIB, RS2E, vom Schwedischen Zentrum für Elektromobilität, von PolStorEn, ENEA, CIC energigune, IMEC und dem Tyndall National Institute.
Über die Forschungsplattform CELEST
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. 45 Arbeitsgruppen aus 29 Instituten des KIT, der Universität Ulm und des ZSW bringen ihre komplementäre Expertise in die Plattform CELEST ein – von der Grundlagenforschung über die praxisnahe Entwicklung bis zum Technologietransfer. CELEST ist in drei Forschungsfeldern aktiv: Lithium-Ionen-Technologie, Energiespeicherung jenseits von Lithium sowie alternative Techniken zur elektrochemischen Energiespeicherung und –konversion.
06.04.2020
Die zwölfte internationale Batterie-Konferenz ABAA (Advanced Lithium Batteries for Automobile Applications) fand im Oktober 2019 in Ulm statt. Nun stellten Teilnehmer, politische Entscheidungsträger aus China, Deutschland, Japan, der Europäischen Kommission und den USA, eine ausführliche Vision zur Weiterentwicklung der Batterietechnologie vor.
Diese Vision ist in einem Artikel im „Journal of Power Sources“ erschienen, in dem die auf der Konferenz vorgestellten Entwicklungstrends und die derzeitige Verbreitung von Elektrofahrzeugen im Massenmarkt beschrieben werden: „Bringing forward the development of battery cells for automotive applications: Perspective of R&D activities in China, Japan, the EU and the USA“ (Das Manuskript ist bis zum 19. Mai 2020 kostenlos verfügbar).
Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens (ZSW), Prof. Stefano Passerini (HIU) und Dr. Khalil Amine (IALB / Argonne National Laboratory, USA) leiteten die Konferenz.
Zu den Rednern gehörte der renommierte Chemiker M. Stanley Whittingham, der als einer der Väter der Lithium-Ionen-Technologie gilt. Er wurde am 09.10.2019 auf der ABAA-Konferenz in Ulm darüber unterrichtet, dass er den Nobelpreis in Chemie bekommen würde.
