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Wenn wir heute den Laptop an der Steckdose oder das Elektroauto an der Wallbox aufladen, so ist es nahezu immer ein Lithium-Ionen-Akku, der den Strom aufnimmt. Diese Art von Akku kann bei kleiner Bauweise und geringem Gewicht aktuell die meiste Energie speichern. Außerdem behält er bei richtiger Verwendung seine Leistungsfähigkeit über einen recht langen Zeitraum. Obwohl schon seit mehr als 30 Jahren auf dem Markt, steckt auch in diesem Batterietyp noch Entwicklungspotenzial. Jülicher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten daran, Lithium-Ionen-Akkus weiter zu verbessern – damit die Elektrofahrzeuge der Zukunft noch schneller laden, längere Strecken zurücklegen und größere Lasten transportieren können.
Unterschiedliche Anwendungen – unterschiedliche Anforderungen
Deutschland will bis 2045 treibhausgasneutral werden. Elektrofahrzeuge spielen eine wichtige Rolle für das Ziel „Netto Null“. Im Verkehrssektor sollen sie wesentlich dazu beitragen, die CO2-Emissionen zu reduzieren. Akkus sind jedoch nicht nur als Energiespeicher für E-Autos, sondern auch für andere Anwendungen eines klimaneutralen Energiesystems relevant. Sie müssen große Mengen an Wind- und Sonnenstrom aufnehmen und die Energie bei Bedarf wieder abgeben können.
Der Stromverbrauch von Haushalten und Industrie entspricht nicht immer der Menge an Strom, die zu einem bestimmten Zeitpunkt von Windkraft- und Solaranlagen erzeugt werden kann. Für solche Fälle muss Energie zwischengespeichert werden, etwa mithilfe von stationären Energiespeichern, die hierbei höchste Wirkungsgrade erzielen. Solche stationären Energiespeicher können in verschiedenen Größen eingesetzt werden, von wiederaufladbaren Batterien in Einfamilienhäusern, die den Strom vom Photovoltaik-Modul auf dem Dach beziehen, bis hin zu großen Industriehallen, die mit Akkus gefüllt sind.
Bei ortsfesten Speichern stehen teils andere Aspekte im Vordergrund als solche, die für Smartphones oder E-Autos entscheidend sind. Gewicht und Volumen spielen nicht so eine dominierende Rolle. Stattdessen zählen eher die kostengünstige Herstellung und Nutzung der Akkus. Zudem ist wichtig, dass sie in möglichst hohem Maße recyclingfähig sind. Schließlich sollten die eingesetzten Rohstoffe ausreichend verfügbar und möglichst umweltverträglich gewonnen sein.
Alternative Batteriekonzepte
Bislang werden in stationären Batteriespeicheranlagen vorrangig Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt. Doch hinsichtlich der benötigten Rohstoffe und ihrer Kosten sind sie eigentlich nicht perfekt geeignet. Daher führen Jülicher Forschende grundlegende Untersuchungen zu alternativen Typen durch, die momentan noch nicht so technologisch ausgereift sind. Dazu gehören etwa Festkörperbatterien und Metall-Luft-Batterien. Daneben haben die Forschenden weitere Batterietypen wie Natrium-Ionen-Akkus und Redox-Flow-Systeme im Blick.
Batterietypen
Lithium-Ionen-Akkus sind derzeit bei Batteriespeichern das Maß aller Dinge. Beim Laden wandern Lithium-Ionen von der positiven zur negativen Elektrode, beim Entladen ist es umgekehrt. Allerdings variieren das Material und das Design der Elektroden, des Separators und des Elektrolyten. Jülicher Forschende arbeiten daran, diese Komponenten weiterzuentwickeln und optimal zu kombinieren, um die Speichereigenschaften und die Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus weiter zu verbessern.
Bei den Forschenden des Helmholtz Instituts Münster (HI-MS), das dem Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-12) zugeordnet ist, stehen Elektrolyte im Fokus. In Batterien dienen Elektrolyte als Medium für den Ionentransport. Außerdem sind siedie zentrale Komponente, mit der alle Batteriebestandteile reagieren. Die Elektrolyte von Lithium-Ionen-Batterien bestehen oft aus komplexen Gemischen von leitfähigem Salz, Lösungsmitteln und Zusatzstoffen (Additive). Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler synthetisieren und charakterisieren die einzelnen Komponenten, insbesondere deren Zusammenspiel untereinander und mit den Elektroden. Besonderes Augenmerk gilt den Vorgängen an den Grenzflächen zwischen Elektrolyt und Elektroden, die für die Gesamtleistung und die Lebensdauer eines Akkus entscheidend sind.
Wie das HI-MS setzen auch die Forschenden des IEK-9 „Grundlagen der Elektrochemie“ und des IEK-1 „Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren“ bei ihren Untersuchungen sowohl herkömmliche als auch neuartige elektrochemische und spektroskopische Analysemethoden ein. Zudem erstellen sie Computermodelle, um Eigenschaften von Materialien und deren Veränderung im Betrieb vorherzusagen.
Darüber hinaus bietet das Jülicher Ernst Ruska-Centrum die Möglichkeit, den atomaren Aufbau von Batteriematerialien – sowohl im frischen als auch im gebrauchten Zustand – auf kleinster Skala mithilfe hochauflösender Elektronenmikroskope zu erkunden.
Feststoffbatterien gelten als Speichertechnologie der Zukunft. Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus enthalten sie keine flüssigen Bestandteile. Ihr Elektrolyt besteht aus einem Feststoff. Dies verspricht eine längere Lebensdauer und höhere Sicherheit – kein Auslaufen, äußerst geringe Brandgefahr. Theoretisch können Festkörperbatterien zudem bessere Speichereigenschaften erzielen als Lithium-Ionen-Akkus. In der Praxis sind sie jedoch noch unterlegen.
Jülicher Forschende wollen das ändern und haben dabei insbesondere den Elektrolyten im Blick. Alle wiederaufladbaren Batterien benötigen eine solche Komponente, durch die geladene Teilchen – Ionen – von einer Elektrode zur anderen wandern können. In Flüssigkeiten können sie dies üblicherweise besser als in festen Materialien. Daher sind die Elektrolyte in den meisten herkömmlichen Akkus flüssig.
Dies hat jedoch auch Nachteile. So reagieren Metalle wie Lithium mit einigen Flüssigkeiten wie Wasser sehr heftig. Zudem können sich in ihnen bei jedem Ladezyklus kleinste Auswüchse aus metallischem Lithium bilden. Sobald diese sogenannten Dendriten beide Elektroden verbinden, gibt es einen Kurzschluss, der bis zum Brand führen kann.
Die Anode bei Lithium-Ionen-Akkus besteht daher in der Regel nicht aus Lithium-Metall, sondern zumeist aus Grafit, in das sich Lithium-Ionen einlagern können. Dadurch ist das Speichervermögen geringer. Zudem reagieren in der Flüssigkeit gelöste Aktivmaterialien mit den Elektroden, was die Lebensdauer herkömmlicher Akkus verkürzt. Der Einsatz eines festen Elektrolyten könnte also gleich in mehrfacher Hinsicht Vorteile bringen.
Ionenleitende Polymere und Keramiken
Jülicher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler forschen an festen Materialien, die Ionen gut leiten. Dabei konzentrieren sie sich vor allem auf Keramiken und Polymere. Polymere sind dabei einfacher herzustellen und zu verarbeiten als Keramiken. Zudem reagieren sie flexibler auf mechanische Belastungen. Dagegen können keramische Ionenleiter höheren Temperaturen besser widerstehen und sind weniger anfällig für den Einfluss von Feuchtigkeit und Sauerstoff.
Die Teams des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung, die Keramiken herstellen und charakterisieren, sind vor allem in den Bereichen „Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren“ (IEK-1) und „Werkstoffstruktur und -eigenschaften“ (IEK-2) angesiedelt. Polymere sind dagegen der Schwerpunkt des Helmholtz Instituts Münster „Ionenleiter für Energiespeicher“ (IEK-12/ HI-MS).
Neben den Elektrolyten werden auch die anderen Komponenten von Festkörperbatterien, wie Elektroden und Separator, im Forschungszentrum Jülich erforscht. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Institutsbereiche „Grundlagen der Elektrochemie“ (IEK-9) und „Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren“ (IEK-1) suchen unter anderem nach den besten Materialkombinationen für Feststoffakkus. Dabei werden auch Alternativen zum Einsatz von Lithium für die Elektroden erforscht, wie zum Beispiel Natrium und Silizium, die kostengünstig und nahezu unbegrenzt verfügbar sind.
Die Funktion von Metall-Luft-Batterien beruht auf der Reaktion von Sauerstoff. Der dafür benötige Sauerstoff wird allerdings nicht in der Batterie mitgeführt, sondern aus der Luft aufgenommen. Dadurch hat diese Art des Akkus theoretisch eine hohe Energiedichte, also ein sehr gutes Speichervermögen bei geringem Gewicht.
Jülicher Forschende entwickeln, erkunden und verbessern Metall-Luft-Akkus, deren Anode aus reinem Zink, Aluminium, Eisen, Silizium, Magnesium oder Lithium besteht. Ein Gerüst aus Kohlenstoff oder einem anderen porösen Material bildet die Kathode, die im Kontakt mit der Umgebungsluft steht. Der Elektrolyt kann wie bei Festkörperbatterien fest, aber auch flüssig sein. So besteht der Elektrolyt der neuartigen Titan-Luft-Batterie, die Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und des israelischen Technions 2023 vorgestellt haben, aus einer ionischen Flüssigkeit.
Lebensdauer verlängern
Metall-Luft-Akkus eignen sich prinzipiell besonders für Anwendungen, bei denen eine kompakte Bauform wichtig ist. Doch eine große Schwierigkeit beschränkt bisher den praktischen Einsatz: Metall-Luft-Akkus lassen sich oft nur einige Male aufladen, bevor sie nur noch wenig Energie speichern können oder gar nicht mehr funktionieren. Jülicher Forschende helfen mit analytischen Methoden und Computersimulationen dabei, aufzuklären, welche Vorgänge für den raschen Funktionsausfall verantwortlich sind. Ihr Ziel ist es, diese Prozesse zu unterdrücken.
Kandidat für umweltfreundliche Großbatterien
Metall-Luft-Akkus haben neben ihrer theoretisch hohen Energiedichte noch weitere wesentliche Vorteile, wenn als Anodenmaterial beispielsweise Eisen oder Silizium zum Einsatz kommen: Ihre Rohstoffe sind in großen Mengen verfügbar, vergleichsweise kostengünstig sowie harmlos für Mensch und Umwelt. Aus diesem Grund erscheinen sie in besonderer Weise für die Stromspeicherung in großen stationären Anlagen geeignet.
Um mehrere Hundert Kilowattstunden Strom speichern zu können, benötigt man sehr viele Lithiumionen-Akkus – oder eine einzige Redox-Flow-Batterie mit zwei großen, flüssigkeitsgefüllten Tanks. Jülicher Forschende wollen diese Art von Batterie wettbewerbsfähig machen.
Eine Redox-Flow-Batterie besitzt zwei Tanks mit jeweils einem flüssigen Elektrolyt, außerdem zwei Reaktionskammern mit jeweils einer Elektrode. Bei Bedarf werden die Elektrolytlösungen in zwei getrennten Kreisläufen durch die Reaktionskammern gepumpt, wo sie dann an den Elektroden unter Stromaufnahme oder Stromproduktion Elektronen aufnehmen oder abgeben. In den Kammern wird somit Strom in energiereiche chemische Verbindungen umgewandelt oder umgekehrt.
Der Vorzug dieser Bauweise: Um das Speichervermögen von Redox-Flow-Batterien zu steigern, muss man nur die Größe der Tanks erweitern. Um beispielsweise mehrere Hundert Kilowattstunden speichern zu können, benötigt man einfach nur größere Tanks und leistungsstärkere Pumpen – während man etwa bei Lithiumionen-Akkus die Gesamtzahl der Batteriezellen erhöhen müsste. Damit verspricht die Redox-Flow-Technologie bei großen Speichern Kostenvorteile – ein Versprechen, das sie aber noch nicht einlösen kann.
Das System tunen
Ein Team des Helmholtz Instituts Münster (HI-MS) erforscht die Technologie und konzentriert sich dabei auf einfach zugängliche, umweltfreundliche Elektrolyte. Es optimiert vor allem die Überwachung und Steuerung des Redox-Flow-Systems mittels maßgeschneiderter Sensoren.
An einer speziellen Form der Redox-Flow-Batterie, dem Eisen-Slurry-Luftspeicher, arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Bereichs „Grundlagen der Elektrochemie“ des Instituts für Energie- und Klimaforschung (IEK-9). Gemeinsam mit dem Batteriehersteller Varta und weiteren Kooperationspartnern wollen sie die Wiederaufladbarkeit dieser Batterie verbessern.
Im Betrieb beobachten
Um Fortschritte in der Batterieforschung zu erzielen, kombinieren Jülicher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Theorie, Computersimulationen und Experimente. Sie stellen neue Materialien für die verschiedenen Komponenten der Akkus her und loten ihr Potenzial aus. Außerdem testen sie neue Materialkombinationen und Batteriekonzepte. Dabei setzen sie modernste Analysemethoden ein, um die Materialien und ihre Veränderungen durch den Betrieb des Akkus zu charakterisieren. Eine besondere Rolle nehmen sogenannte In-operando-Techniken ein, mit denen die Batteriekomponenten während des laufenden Betriebs auf der mikroskopischen Ebene beobachtet werden können. Diese Techniken werden in Jülich nicht nur angewendet, sondern auch weiterentwickelt.
Die Rolle im künftigen Energiesystem
Ein besonderes Merkmal der Jülicher Forschung ist, dass sie das gesamte Spektrum von der Grundlagen- und Materialforschung bis hin zur Systemforschung umfasst. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Forschungszentrums treiben nicht nur technologische Entwicklungen voran. Sie untersuchen auch die Bedeutung von Batteriespeichern für die Energiewende und ihre Anwendung im Energiesystem der Zukunft. Im Fokus stehen etwa kosteneffiziente Wege zur Klimaneutralität, die optimale Kombination von Batterie- und Wasserstoff-Speichern oder Analysen über den gesamten Lebenszyklus von Energiespeichern in Haushalten.
Im Jülicher Living Lab Energy Campus wird darüber hinaus das Zusammenspiel verschiedener Technologien zur Energiespeicherung und -wandlung erprobt. Dies geschieht ganz praktisch durch ein intelligent vernetztes Energieversorgungssystem, das an den Jülicher Campus angeschlossen ist und die verschiedenen Bausteine integriert – in einem Reallabor für zukünftige Energiesysteme.
Text: Frank Frick / Bilder: Symbolbilder KI-generiert, Laborsituation: HI MS / Judith Kraft
