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.
- Neues Instrument bei BESSY II: Die OÆSE-Endstation in EMILAn BESSY II steht nun ein neues Instrument zur Untersuchung von Katalysatormaterialien, Batterieelektroden und anderen Energiesystemen zur Verfügung: die Operando Absorption and Emission Spectroscopy on EMIL (OÆSE) Endstation im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL). Ein Team um Raul Garcia-Diez und Marcus Bär hat die Leistungsfähigkeit des Instruments an elektrochemisch abgeschiedenem Kupfer demonstriert.
- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.
- Solarzellen auf Mondglas für eine zukünftige Basis auf dem MondZukünftige Mondsiedlungen werden Energie benötigen, die Photovoltaik liefern könnte. Material in den Weltraum zu bringen, ist jedoch teuer – ein Kilogramm zum Mond zu transportieren, kostet eine Million Euro. Doch auch auf dem Mond gibt es Ressourcen, die sich nutzen lassen. Ein Forschungsteam um Dr. Felix Lang, Universität Potsdam, und Dr. Stefan Linke, Technische Universität Berlin, haben nun das benötigte Glas aus „Mondstaub“ (Regolith) hergestellt und mit Perowskit beschichtet. Damit ließe sich bis zu 99 Prozent des Gewichts einsparen, um auf dem Mond PV-Module zu produzieren. Die Strahlenhärte konnte das Team am Protonenbeschleuniger des HZB getestet.