Batterieforschung - Projekt SkaLiS mit 2,2 Millionen Euro vom BMBF gefördert
Pouchzellen Labor © HZB
SkaLiS Projektteam © HZB
Für die Energiewende werden leistungsstarke, kompakte und günstige Batterien benötigt. Dafür forschen am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) Gruppen um Prof. Dr. Yan Lu, Dr. Ingo Manke und Dr. Sebastian Risse. Sie untersuchen und entwickeln neuartige Elektroden-Materialien, die auf Schwefel oder Silizium basieren. Nun koordiniert Risse auch noch ein großes Projekt, an dem neben Teams aus dem HZB auch die Universität Potsdam, die Technische Universität Berlin, die Technische Universität Dresden sowie das Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden beteiligt sind.
Das Projekt SkaLiS startet im Juli 2021 und wird in den kommenden drei Jahren mit insgesamt 2,2 Millionen Euro durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. SkaLiS steht für „Operando-Analyse gestütztes, skalenübergreifendes und skalierbareres Elektroden-Design zur Leistungserhöhung von Lithium-Schwefel-Pouchzellen“.
In SkaLiS (FKZ: 03XP0398) wollen die beteiligten Forschungsgruppen einen Lithium-Schwefel (Li-S) Demonstrator auf Pouchzellenebene herstellen, dessen Kathode gleich auf mehreren Skalen strukturiert ist. Mit diesem Ansatz soll die Li-S Batterie deutlich stabiler und leistungsstärker als bisherige Batteriezellen sein. Für die Bewertung der industriellen Relevanz steht dem Konsortium ein Industriebeirat bestehend aus Vertretern der Firmen Airbus, Rolls-Royce, Wingcopter, Customcells und E-Lyte zur Seite.
Die HZB-Abteilung „Elektrochemische Energiespeicherung“ hat dafür bereits die passende Infrastruktur aufgebaut: Die sogenannte „Pouch-Cell-Line“ – dort lassen sich aus Ausgangsmaterialien in mehreren einfachen Schritten Versuchs-Batterien in einem flachen „Taschenformat“ herstellen (siehe Filmclip).
Im SkaLiS Projekt ist darüber hinaus eine sechsstellige Investition in ein neues Detektorsystem für ein Röntgenkleinwinkel-Instrument vorgesehen. Es wird derzeit am Standort Wannsee in Risses Elektrochemie-Gruppe aufgebaut und ist besonders geeignet, um Materialien wie Batterie-Elektroden zu untersuchen.
Das Kathodenmaterial stellt das Team um die Chemikerin Yan Lu selbst her. Es besteht aus fein vermahlenen Schwefelpartikeln, die in Kohlenstoff mit spezieller Porosität eingelagert werden. Nach der Fertigung der Batteriezelle in Berlin und Dresden werden die elektrochemische Leistungsfähigkeit sowie die Stabilität eingehend mit operando Methoden von den Arbeitsgruppen um Manke und Risse analysiert. Somit lassen sich direkte Rückschlüsse auf die Zellfertigung und die Kathodenmaterial-Synthese ziehen, die auch für die Industrie relevant sind.
- Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliertWasserstoff spielt für die Wende hin zur CO₂-Neutralität eine entscheidende Rolle, sowohl als Energieträger als auch als Ausgangsstoff für die grüne Chemie. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie vieler anderer chemischer Produkte erfordert jedoch deutlich kostengünstigere und effizientere Katalysatoren. Um Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern, ist es von großem Nutzen, die elektrochemischen Prozesse genau zu verstehen, die an der Grenzfläche zwischen dem festen Katalysator und dem flüssigen Medium ablaufen. Ein europäisches Team hat In der Fachzeitschrift Nature Communications ein leistungsfähiges Modell vorgestellt, das die Ladungstrennung an der Grenzfläche, die Bildung der elektrischen Doppelschicht sowie deren Einfluss auf die katalytische Aktivität hervorragend beschreibt.
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