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Batterie-Prototypen entwickelt

Statt Lithium-Ionen jetzt Natrium-Ionen

| Autor/ Redakteur: Axel Burchardt* / Marc Platthaus

Optimierte Energiespeicherung ist eine der wichtigsten Forderungen für Zukunftstechnologien – egal ob es um Elektromobilität oder Mobilkommunikation geht. In einem deutschen Forschungsprojekt wurden nun neue Batterie-Prototypen entwickelt. Was die Natrium-Ionen-Batterien der nächsten Generation von den Litihum-Ionen-Varianten unterscheiden, lesen Sie in diesem Beitrag.

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Prüfstand für Knopfzellen-Batterien in einem Labor am Institut für Technische Chemie und Umweltchemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena.
Prüfstand für Knopfzellen-Batterien in einem Labor am Institut für Technische Chemie und Umweltchemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena.
(Bild: Jan-Peter Kasper/FSU)

Jena/Karlsruhe – Umweltfreundlich, kostengünstig und hochleistungsfähig sollen die Natrium-Ionen-Batterien der nächsten Generation sein – dann können sie eine Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien werden. Passende Aktivmaterialien und Elektrolyte entwickeln orscher des vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gegründeten Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) gemeinsam mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU). Im Projekt TRANSITION arbeiten sie an Lösungen für den Technologietransfer von Natrium-Ionen-Batterien und leisten damit einen wesentlichen Beitrag zu einem nachhaltigeren Energiespeichermarkt in Deutschland. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt für drei Jahre mit 1,15 Millionen Euro, von denen rund 300.000 Euro nach Jena gehen.

Energieeffizientere und leistungsfähigere Speichertechnologien erforderlich

An alternativen Energiespeichern wird im Zentrum für Energie und Umweltchemie (CEEC Jena) der Friedrich-Schiller-Universität seit Langem geforscht. Auch das Projekt TRANSITION soll einen zentralen Beitrag zu einer nachhaltigeren Energiespeicherstrategie in Deutschland leisten. Die Märkte für Elektromobilität und stationäre Energiespeicherung werden im Zuge der Energiewende deutlich wachsen und erfordern energieeffizientere und leistungsfähigere Speichertechnologien. Derzeit sind Lithium-Ionen-Batterien einer der größten Erfolge für Energiespeicheranwendungen des letzten Jahrhunderts. Lithium-Ionen-Batterien sind leicht, kompakt und bieten eine hervorragende Energie- und Leistungsdichte und dominieren 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. In diesem Szenario stellen Natrium-Ionen-Batterien eine alternative, kostengünstige und umweltfreundlichere Energiespeichertechnologie dar“, sagt Prof. Dr. Stefano Passerini, Direktor des HIU.

Prof. Dr. Philipp Adelhelm (l.) und der indische Gastwissenschaftler Dr. Palaniselvam Thangavelu bei der Inbetriebnahme einer hochmodernen Beschichtungsanlage, die auch für das neue Forschungsprojekt Transition wichtig ist.
Prof. Dr. Philipp Adelhelm (l.) und der indische Gastwissenschaftler Dr. Palaniselvam Thangavelu bei der Inbetriebnahme einer hochmodernen Beschichtungsanlage, die auch für das neue Forschungsprojekt Transition wichtig ist.
(Bild: Jan-Peter Kasper/FSU)

Das Projekt TRANSITION konzentriert sich auf die Entwicklung leistungsfähiger, flüssiger und polymerer Natrium-Ionen-Batterien, die auf der Kathodenseite Übergangsmetallschichtoxide und auf der Anodenseite Hartkohlenstoff aus Biomasse verwenden. In dem Projekt wird das Ulmer Team einen innovativen, auf Biomasse basierenden Hartkohlenstoff in Kombination mit wässrigen Bindemitteln und Aluminium als Stromabnehmer entwickeln.

Warum Batterien altern

„Die Entwicklung von hochskalierten Prototypen der Natrium-Ionen-Batterien und das Erreichen der gewünschten Ziele stellen eine große Herausforderung dar, die sich nur in einem Netzwerk mit den komplementären Kompetenzen der Partner bewältigen lässt“, sagt Passerini. Das Team der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU) unter Leitung von Prof. Dr. Philipp Adelhelm koordiniert die Forschungsaktivitäten zur Entwicklung fortschrittlicher Elektrolyte und beschäftigt sich mit der Batteriealterung. „Warum Batterien altern, ist oft gar nicht so einfach zu verstehen. Hier wirken verschiedene Mechanismen auf unterschiedlichen Zeitskalen. Mittels In-situ-Gasanalytik wollen wir die Alterung der im Projekt zu entwickelnden Materialien und Zellen besser verstehen und die Lebenszeit durch geeignete Maßnahmen verbessern“, erklärt Prof. Adelhelm. Zur Stärkung der Jenaer Batterieforschung hat Prof. Adelhelm gerade eine neue Dünnschichtanlage erhalten. Das 500.000 Euro teure Großgerät wurde mit Mitteln der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert. Es wird dazu eingesetzt, Elektrodenmaterialien zu optimieren und mit Schutzschichten zu versehen.

Das Team des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) wird v. a. die Entwicklung kobaltfreier Kathoden vorantreiben.

* A. Burchardt, Friedrich-Schiller-Universität Jena, 07743 Jena

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