Großes Forschungsprojekt zu Lithium-Ionen-Batterien gestartet

Bis zum Jahr 2050 soll etwa die Hälfte des gesamten Energiebedarfs in Deutschland aus erneuerbaren Energien gedeckt werden – so sieht es die langfristige strategische Planung der Bundesregierung zur Erreichung der Klimaschutzziele vor.

Eine effiziente Speicherung elektrischer Energie ist dabei der wesentliche Schlüssel für den Einsatz regenerativer Energieträger wie Sonne und Wind. Das Bundesforschungsministerium weist beispielsweise darauf hin, dass im Jahr 2006 ca. 15 % des durch Windkraftwerke erzeugten Stroms nicht genutzt werden konnten, weil keine geeigneten Speichersysteme zur Verfügung standen.

Unter den Speichersystemen bietet die Lithium-Ionen-Technologie die höchste Energiedichte. In vielen Bereichen haben Lithium-Ionen-Akkus heute schon andere wiederaufladbare Batteriesysteme verdrängt. Handys und Laptops sind ohne Lithium-Ionen-Akkus kaum vorstellbar, und zunehmend werden sogar auch Elektrowerkzeuge mit den im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten NiCd-Akkus umweltfreundichen Lithium-Ionen-Akkus ausgestattet. Für den Einsatz im Automobil gelten allerdings nochmals höhere Anforderungen: Die Energiedichte muss für große Reichweiten weiter erhöht werden, die Ladezeiten sollten, entsprechend einer hohen Leistungsdichte, möglichst kurz sein, und nicht zuletzt spielen auch Sicherheit und Lebensdauer eine wichtige Rolle.

Deshalb hat das Bundesforschungsministerium für die nächsten vier Jahre im Rahmen der BMBF-Innovationsallianz LIB 2015 60 Millionen Euro Fördermittel zur Entwicklung leistungsfähiger und sicherer Lithium-Ionen-Batterien bereitgestellt. Ein Konsortium um die Firmen Evonik, BASF, Bosch, Daimler und Volkswagen wird LIB 2015 mit 360 Millionen Euro unterstützen.

Mit am Start in diesem Programm ist das vom Fraunhofer ISC in Würzburg initiierte Projekt »KoLiWIn« – das Kürzel steht für „Konzeptstudien für neuartige Lithium-Ionen-Zellen auf der Basis von Werkstoff-Innovationen“. Das Ziel des mit insgesamt 4 Millionen Euro dotierten Verbundprojekts erklärt Projektleiter Dr. Kai-Christian Möller: »Die acht Partnerinstitute wollen gemeinsam neue Materialkonzepte entwickeln, die nicht nur ein schnelleres Laden ermöglichen und eine größere Energiemenge bereitstellen als herkömmliche Batterietypen, sondern die auch erheblich sicherer sind.« Im Blick haben die Forscher v. a. große, leistungsstarke Batterien für Elektrofahrzeuge – und unterstützen damit auch den Trend zur Elektromobilität.

Eine Million elektrisch angetriebener Fahrzeuge sollen bis zum Jahr 2020 auf den bundesdeutschen Straßen lautlos und schadstofffrei für freie Fahrt sorgen. Dafür werden entsprechend leistungsfähige und sichere mobile Energiespeicher gebraucht.

»Das Fraunhofer ISC hat in den vergangenen Jahren bereits neuartige Materialien für polymere, nicht entzündliche Elektrolyte gefunden, deshalb ging die Initiative zu dem Verbundprojekt auch von uns aus«, so Möller. Neben zwei weiteren Fraunhofer-Instituten, dem IWM aus Freiburg und dem IKTS aus Dresden, sind Fachgruppen der Universitäten Münster, Marburg, Ulm, Karlsruhe und Köln an der Entwicklung beteiligt. Auch ein namhafter Batteriehersteller signalisierte Interesse und begleitet das Forschungsprojekt. In KoLiWIn sollen nun die einzelnen Batteriekomponenten – nanostrukturierte Kathoden, Anode und Polymerelektrolyte – so aufeinander abgestimmt werden, dass daraus leistungsfähige, schnelle und sichere Batteriezellen gebaut werden können.

Während der dreijährigen Projektlaufzeit sollen Erkenntnisse aus der Festkörper- und Elektrochemie sowie der Materialforschung zusammengeführt werden, unterstützt durch umfangreiche Charakterisierungsverfahren am ISC und neue Simulationsverfahren am IWM, die von der Wechselwirkung der Atome im Material bis hin zum Einsatzverhalten im Produkt über alle Skalen hinweg die neuen Materialien bewerten. Am Ende soll ein industriell umsetzbares, leistungsfähiges und sicheres Batteriekonzept stehen, das auch für den Einsatz in Fahrzeugen geeignet ist.

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