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Donnerstag, 21. Februar 2019

Batterieforschung

Das „große Versprechen“

Von Heike Freimann | 18. Oktober 2018 | Ausgabe 42

Rüdiger-A. Eichel, Leiter des Instituts für Energie- und Klimaforschung am Forschungszentrum Jülich, gelang der Durchbruch bei schnellladefähigen Festkörperbatterien.

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Foto: Forschungszentrum Jülich/Sascha Kreklau

Der Physiker Rüdiger-A. Eichel leitet das Institut für Energie- und Klimaforschung am Forschungszentrum Jülich. Im Bild zeigt er ein Modell des neu entwickelten Festkörperelektrolyten.

VDI nachrichten: Herr Eichel, Sie haben eine schnellladefähige Festkörperbatterie entwickelt …

Rüdiger-A. Eichel: Eine Batterie mit einem festen statt eines flüssigen Elektrolyten ist ein großes Versprechen für sichere Batterien, bei denen ein Kurzschluss nicht zur Explosion führt. Für Batterien, die länger leben und wahrscheinlich mehr Energie speichern können. So dass man dann über Elektroautos nachdenken kann, die bei einem Unfall nicht mehr in Flammen aufgehen, oder über Smartphones, die man sicherer laden kann.

Rüdiger-A. Eichel

Auch in der Medizintechnik wäre das ein sehr großer Fortschritt. Im Prinzip bei allen Anwendungen, bei denen es um langlebige Betriebsdauer und sicheren Betrieb geht. Also beispielsweise auch im Smart Home. Aber es gibt es noch eine ganze Menge Probleme zu lösen.

Wir haben uns in Jülich auf die Schnellladefähigkeit konzentriert, weil uns das Thema in einigen Jahren beschäftigen wird. Dann versprechen alle Elektroautos so große Batteriepacks, dass sie im Schnitt 300 km bis 500 km Reichweite abdecken. Dann sind kurze Ladezeiten entscheidend.

Die haben Sie jetzt von bislang 10 h bis 12 h auf unter 1 h reduziert. Man kann an den Elektroden (Anode und Kathode) arbeiten, die die Spannungspole bilden, und dem dazwischen eingebrachten Elektrolyten. Was hat den Durchbruch gebracht?

Bisher hat man die Standardmaterialien auf Anode und Kathode belassen und einfach einen neuen Festkörperelektrolyten dazugegeben. Wir haben herausgefunden, dass man auch die Elektrodenmaterialen anpassen muss.

Wenn man den flüssigen Elektrolyten einfach nur durch einen Festkörper ersetzt, entstehen zwischen den Festkörperpartikeln von Elektroden und dem Elektrolyten Millionen kleine Grenzflächen, an denen sich Atome austauschen und Zwischenphasen bilden. Über eine ganze Batteriezelle summiert sich das zu einem sehr großen Widerstand, was dazu führt, dass man die Batterie nicht schnell laden kann.

Wir haben das Pferd jetzt von hinten aufgezäumt. Man kann nicht verhindern, dass sich Atome austauschen, aber man kann die Materialien so aussuchen, dass dieser atomare Austausch keine Rolle mehr spielt. Unsere Festkörperbatterie hat deshalb ein Phosphatrückgrat, also ein Gerüst aus Phosphatanionen, das sich durch die Batterie zieht. Wenn sich an den Grenzflächen Phosphoratome austauschen, macht das überhaupt nichts aus, weil Phosphor überall ein Kernbestandteil ist.

Warum gerade Phosphatverbindungen?

Wir hatten von Anfang an die Produktion im Blick, die günstig und im großen Maßstab laufen muss. Phosphatbasierte Materialien sind mit die robusteste Materialklasse, die man sich vorstellen kann.

Bei herkömmlichen Materialien braucht man für verschiedene Prozessschritte einen Trockenraum, was eine sehr teure Umgebung ist. Diese Bedingung brauche ich bei Phosphatverbindungen nicht, denn sie reagieren nicht unter Luftfeuchtigkeit. Man könnte das also sehr kostengünstig darstellen.

Wie gut ist die Speicherfähigkeit? Besser als beim herkömmlichen Lithium-Ionen-Akku?

Wir sind dabei, die Energiedichte zu erhöhen. Da ist noch Luft nach oben, aber wir haben schon die Vorarbeiten gemacht und sind gerade dabei, das zu patentieren. Um das hoch zu skalieren, kommen keramische Verfahren ins Spiel.

Es geht im Prinzip um eine vollkeramische Batterie, die man sich vom Aufbau her ähnlich wie eine Festoxid-Brennstoffzelle, kurz SOFC (Solid Oxid Fuel Cells), vorstellen kann. Man muss das System jetzt Schritt für Schritt verstehen und optimieren. Das ist noch ein komplett neues Forschungsprogramm, für das wir Zeit und Manpower brauchen. Deshalb hoffen wir, dass wir für die Weiterentwicklung finanzielle Unterstützung bekommen.

Stichwort Smart Home: Was könnten Festkörperbatterien hier besser als herkömmliche Batterien?

Ich verstehe unter Smart Home etwas, wo sehr viele Sensoren rund um die Uhr Informationen austauschen und selbst Energie aus der Umgebung sammeln. Ob als Sensor mit Solarzelle oder als Sensor, der Energie aus der Umgebung, beispielsweise aus Vibrationen, aufnimmt: Diese Sensoren brauchen eine Batterie, die das speichert und auf die sie permanent zugreifen können. Mit einer Festkörperbatterie kann ich das klein und elegant direkt in einen elektronischen Chip integrieren.

Könnten Festkörperbatterien künftig bei stationären Energiespeichern eine Rolle spielen?

Da gibt es Konzepte. Man kann sehr viel mit Batterien machen, aber da stehen sie auch in Konkurrenz zu chemischen Speichern wie Wasserstoff. Batterien sind sehr effizient. Wir sprechen bei einer modernen Lithium-Ionen-Batterie von einer Lade-Entlade-Effizienz von rund 94 % bis 95 %. Im Vergleich zu einem Wasserstoffspeicher mit einer Effizienz von weniger als 50 % ist das deutlich besser.

Aber wenn wir über saisonale Speicherung erneuerbarer Energien nachdenken – weil wir einige Wochen im Jahr ohne Sonneneinstrahlung oder Windkraft darstellen müssen –, braucht man wenige Lade-Entlade-Zyklen. Dafür muss man große Mengen über einen langen Zeitraum speichern. Und da sind Batterien deutlich teurer als chemische Speicher.

Das heißt, dass man viele verschiedene Konzepte braucht und dass kein Konzept das andere ausschließt, weil unser Energiesystem so komplex ist. Wir brauchen Langfristspeicher, wir brauchen Kurzfristspeicher für Stunden und Tage. Und wir brauchen ganz kleine Speicher, die nur Millisekunden abpuffern können. Die Batterien sehe ich eher im Kurzfristbereich oder in Bereichen, wo man keine großen Mengen speichern muss, beispielsweise als Speicher für die Photovoltaikanlage zu Hause auf dem Dach.

Während unten im Keller die Autobatterie ein zweites Leben als Hausspeicher führt?

Ich kann mir gut vorstellen, dass Batteriepacks aus dem Auto ein zweites Leben haben, indem man sie als Hausspeicher benutzt. Da sind die Anforderungen nicht mehr so hoch. Aber da geht es dann auch um die Frage: Ist jemand bereit, sich einen gebrauchten Speicher zu kaufen, der für eine andere Anwendung nicht mehr genügend Leistung bringt? Das müssen die Verbraucher und die Gesellschaft entscheiden.

Wie geht es jetzt in Jülich weiter?

Wir sind hier mit zwei prominenten deutschen Autobauern im guten Austausch und auch projektmäßig verbunden. Außerdem haben wir Anfragen von zwei internationalen Batterieherstellern. Wir sprechen hier über die übernächste Generation von Batterien. Nach meiner Erfahrung mit der Industrie braucht man ungefähr zehn Jahre, um das zu kommerzialisieren. Die Produktionsverfahren werden ganz andere sein als die, mit denen man heute Batterien herstellt. Wir brauchen dafür also neuartige Produktionsanlagen. Die gibt es heute auch in Asien und Amerika noch nicht.

Das heißt aber auch: Deutschland ist heute bei Festkörperbatterien auf Augenhöhe mit den internationalen Konkurrenten. Es gibt hierzulande viele Aktivitäten und wir sind an der Spitze der Forschung. Deshalb wäre es natürlich eine tolle Geschichte, wenn so eine Produktionsanlage der Zukunft dann auch in Deutschland stehen würde.