Batterietechnik
Batterien stellen einen zentralen Baustein für den Übergang in eine klimaneutrale Gesellschaft dar. Ihr Einsatz in portablen Anwendungen, wie zum Beispiel Notebooks und Smartphones, hat sich in unserem Alltag bereits durchgesetzt. Gleichzeitig werden durch die kontinuierlichen Fortschritte der letzten Jahre zunehmend neue Anwendungsfelder erschlossen. Insbesondere die Elektromobilität und der Einsatz von Batterien zur Speicherung fluktuierenden, erneuerbaren Stroms aus Wind und Sonne gewinnen rapide an Bedeutung. Sie leisten bereits heute einen wichtigen Beitrag, um die Abhängigkeit von fossilen Ressourcen und klimaschädlicher Emissionen im Energie- und Verkehrssektor zu reduzieren.
Anwendungsfelder
Lithium-Ionen-Batterien haben aufgrund ihrer hohen Energiedichte, langen Lebensdauer und stetig sinkenden Kosten zu einem Durchbruch in der Elektromobilität geführt. Während diese selbst noch viel Entwicklungspotential bietet, versprechen Batterien der nächsten Generation spezifische Vorteile in Bezug auf Kosten, Leistungsfähigkeit oder Nachhaltigkeit.
So können zum Beispiel Zink-Luft- oder Natrium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer potentiell niedrigeren Kosten und des Verzichts auf kritische Rohstoffe eine wichtige Rolle in der stationären Energiespeicherung sowie in Anwendungen spielen, in denen die Kosten entscheidend sind. Ähnliches gilt für Zelltechnologien, die auf gut verfügbaren Materialien wie Calcium, Magnesium oder Schwefel basieren. Diese innovativen Zellchemien adressieren nicht nur die gesellschaftlichen Anforderungen an Nachhaltigkeitsaspekten, sondern auch die wachsende Bedeutung von Materialverfügbarkeit und stabile Lieferketten.
Für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, die besonders hohe Ansprüche an Gewicht und Zuverlässigkeit stellen, sind hingegen Lithium-Schwefel- oder Feststoffbatterien von großem Interesse. Diese Technologien bieten nicht nur eine erhöhte Energiedichte, sondern auch potenziell verbesserte Sicherheitsmerkmale und sind daher Gegenstand intensiver Entwicklungsbemühungen am DLR.
Expertise
Am DLR wird die ganze Bandbreite der Batterieforschung abgedeckt. Diese reicht von der Untersuchung der elementaren Vorgänge auf Ebene der Aktivmaterialien über die Entwicklung neuer Zelltechnologien bis hin zur Integration von Batteriepacks und Methoden zu deren Überwachung für Anwendungen im Verkehr, in Luft- und Raumfahrtsystemen.
Die experimentellen Arbeiten auf Material- und Zellebene in Stuttgart bilden dabei die Schnittstelle zwischen grundlagenorientierter Forschung und der Übertragung des Wissens in die vielfältigen Anwendungen der DLR-Forschung. Ein besonderes Augenmerk legen die Forscher darauf, die komplexen Prozesse innerhalb der Batteriezelle besser zu verstehen und nachzuvollziehen, wie diese die Leistungsfähigkeit, Langlebigkeit und Sicherheit der Zelle bestimmen. Mit dem erlangten Wissen und unter Einsatz verschiedener Synthesen und Herstellmethoden werden Komponenten für neue Zelltechnologien entwickelt, die Vorteile hinsichtlich Kosten, Materialverfügbarkeit oder der Energiedichte bieten. Die Kombination aus Experimenten und Simulationen vermittelt tiefgehende Einblicke in das Innere der Zelle und ermöglicht eine Optimierung der Komponenten entsprechend der Vorgaben aus der Anwendung. Grob lassen sich die Arbeiten in drei Themenbereiche untergliedern.
Methodenentwicklung
Ein übergeordneter Schwerpunkt der Arbeiten befasst sich mit der Untersuchung von Zellen, Komponenten und Materialien mittels neuartiger in situ und operando sowie elektrochemischer Methoden. Darunter fallen unter anderem
- spezielle Aufbauten zur Analyse von elektrochemischen, Transport- und Degradationsprozessen im Betrieb (z.B. mittels operando-Röntgendiffraktometrie, -UV/Vis- oder Ramanspektroskopie);
- >150 Kanäle zur Charakterisierung des Zyklen- und Degradationsverhaltens in Labor-, kommerziellen bzw. Prototypenzellen (-40 °C bis 60 °C) sowie post-mortem Untersuchungen nach dem Betrieb mittels fortschrittlicher Analytik wie Rasterelektronenmikroskopie mit Focused-Ion-Beam (FIB-SEM), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Mikro-Computertomographie (µCT), etc.;
- Zustandsdiagnostik von Zellen mittels elektrochemischer Methoden wie der elektrochemischen Impedanzspektroskopie und in die Zelle integrierten Sensoren;
- spezielle Methoden zur akkuraten und effizienten Parametrisierung von Simulationsmethoden.
Lithium-Ionen-Batterien
Die Arbeiten im Bereich Lithium-Ionen-Batterien befassen sich unter anderem mit der umfassenden Charakterisierung von kommerziellen und Prototypenzellen kombiniert mit post-mortem Untersuchungen am Lebensende zur Aufdeckung von Alterungsmechanismen. Zudem werden in verschiedenen Aktivitäten neue Zellkomponenten und Aktivmaterialien für die Anwendung in der Luft- und Raumfahrt sowie der Elektromobilität untersucht. Das Leistungsspektrum umfasst
- Alterungskampagnen kommerzieller Batteriezellen und Degradationsanalyse mittels fortschrittlicher elektrochemischer Methoden und post-mortem Untersuchung;
- die Qualifizierung von Zellen für verschiedene Anwendungen, Entwicklung von Betriebsstrategien zur Sicherstellung von Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Langlebigkeit;
- Untersuchung neuartiger Zellkomponenten und Aktivmaterialkombinationen von Einzelpartikel- bis Zellebene.
Post Lithium-Ionen-Batterien
Neben Lithium-Ionen-Batterien wird ein besonderes Augenmerk auf Zelltechnologien der nächsten Generation gelegt (unter anderem Metallanoden, Metall-Schwefel, Zink-Luft und Solid-State Batterien), die Vorteile bei der gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte sowie bei Materialverfügbarkeit und Nachhaltigkeit versprechen. Dazu gehören unter anderem Metallanoden wie Lithium, Calcium oder Magnesium, Metall-Schwefel/Metall-Luft Batterien sowie Feststoffbatterien. Die Arbeiten umfassen neben der operando-Charakterisierung und Untersuchung von Degradationsphänomenen (siehe oben), vor allem die Entwicklung nano- und mikrostrukturierter Elektroden und Komponenten für Metall-Schwefel- und Metall-Luft-Batterien, um Leistungsfähigkeit und Zyklenfestigkeit zu erhöhen.
- Elektrodenentwicklung und Modell-basiertes Design von Komponenten für Metall-Schwefel und Feststoffbatterien.
- Grundlegende Untersuchungen von elektrochemischen und Transportprozessen, Elektrolyteigenschaften und Grenzschichtphänomenen.
- Entwicklung von Elektrokatalysatoren und Gasdiffusionselektroden für Metall-Luft-Batterien und CO2-Elektrolyse mittels skalierbarer Herstelltechnik
