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14-05-2019 | Materialentwicklung | Im Fokus | Article

Materialentwicklung ist Schlüssel für neue Batterien

Author:
Dieter Beste

Die Förderinitiative Batterie 2020 des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) umfasst derzeit rund 40 Verbundprojekte. Unter anderem wird an Prototypen von Natrium-Ionen-Batterien für E-Mobilität und stationäre Energiespeicherung gearbeitet.


Ziel der 2017 gestarteten Förderinitiative "Batterie 2020" des BMBF ist die Steigerung der Energiedichte von Batteriesystemen, deren Sicherheit, die Ermittlung von Prozess- und Produktionsparameter für ihre Herstellung sowie das Recycling – auch, um die internationale Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands auf dem Gebiet der elektrochemischen Energiespeicherung zu stärken. In mehr als 40 Verbundprojekten zwischen Wissenschaft und Wirtschaft stehen Lithium-Ionen-, Metall-Schwefel- und Metall-Luft/Sauerstoff-Systeme für Anwendungen in der Elektromobilität im Fokus, wobei die Forscher ihr Augenmerk auch auf ein "second use" der Batterien richten, etwa in stationären Speichern. Ein Angelpunkt der Förderinitiative über alle Projekte hinweg ist die Materialentwicklung.

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Cathode and Anode Materials for Na-Ion Battery

Energy storage is more important today than at any time in the human history. The battery systems that are pursued for clean renewable energy-based grid or the electrification of transportation need to meet the requirements of low cost and high effic


Gegenwärtig geht bei Energiespeicheranwendungen an Lithium-Ionen-Batterien kein Weg vorbei; sie sind leicht, kompakt und bieten eine nie gekannte Energie- und Leistungsdichte. Der Batterietyp dominiert den Markt für tragbare Elektronik, Hybrid- und Elektrofahrzeuge. "Angesichts der zunehmend steigenden Nachfrage nach Lithium und den in der Lithium-Technologie eingesetzten Rohstoffen wie Kobalt werden jedoch Bedenken hinsichtlich der zukünftigen und langfristigen Verfügbarkeit der kritischen Rohstoffe und der Kosten laut", kommentiert Stefano Passerini den Stand der Technik. Und der Direktor des vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gegründeten Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) ist sicher: "In diesem Szenario stellen Natrium-Ionen-Batterien eine alternative, kostengünstige und umweltfreundlichere Energiespeichertechnologie dar."

Allerdings ist die Realisierung von Natrium-Ionen-Batterien nach Auffassung der Springer-Autoren Lifen Xao, Yuliang Cao and Jun Liu kein leichtes Unterfangen. Eine der Herausforderungen: Natrium-Ionen sind im Radius 40 Prozent größer als Lithium-Ionen. Dies mache die Suche nach geeigneten Trägermaterialien nicht gerade einfach (Low-cost Nanomaterials, Seite 395).

Die wichtigsten Lithiumressourcen finden sich punktuell in Südamerika; der Lithiumpreis hat sich seit 1991 grob verdoppelt. Die weltweite Produktion des Jahres 2010 für Natrium (1011 kg a-1) und Magnesium (6 109 kg a-1) liegen Größenordnungen über der Lithiumgewinnung (2,5 . 107 kg a-1) ... Die künftige, preiswerte Hochleistungsbatterie der Zukunft könnte auf Basis von Natrium laufen, als Natriumionen-Batterie in wässrigen oder nichtwässrigen Elektrolyten oder als Natrium-Sauerstoff-Batterie."  Peter Kurzweil und Otto K. Dietlmeier, "Elektrochemische Speicher", Seite 328.

Am HIU konzentriert sich Passerini im Projekt "Transition" auf die Entwicklung leistungsfähiger, flüssiger und polymerer Natrium-Ionen-Batterien, die auf der Kathodenseite Übergangsmetallschichtoxide und auf der Anodenseite Hartkohlenstoff aus Biomasse verwenden. "Dies ist das erste vom BMBF geförderte deutsche Konsortium, das an der Entwicklung hochskalierter Natrium-Ionen-Batterien arbeitet und ein breites Spektrum an Herausforderungen von der Materialentwicklung bis zur Herstellung von Prototypenzellen abdeckt", sagt Passerini, der sein Forscherleben der Entwicklung von Materialien und Systeme für die elektrochemische Energiespeicherung verschrieben hat. Kürzlich wurde er in die Leopoldina, die Nationale Akademie der Wissenschaften, gewählt.

Die drei Partner des Transition-Projekts – neben dem HIU das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und die Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU) – wollen gemeinsam leistungsfähige Prototypen der Natrium-Ionen-Batterien entwickeln. Passerinis Team arbeitet an einem innovativen, auf Biomasse basierenden Hartkohlenstoff in Kombination mit wässrigen Bindemitteln und Aluminium als Stromabnehmer. Das Team der FSU um Philipp Adelhelm koordiniert die Forschungsaktivitäten zur Entwicklung fortschrittlicher flüssiger und polymerer Elektrolyte, und das Team des ZSW um Margret Wohlfahrt-Mehrens treibt die Entwicklung kobaltfreier Kathoden voran.

 

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