Der lange Weg zu neuen Batteriezellen führt über gezielte Forschung. In Deutschland nimmt das Center for Electrochemical Energy Storage (CELEST) in Ulm jetzt eine führende Stellung ein.
Der Realität ein Stückchen näher
Batterieforschung auf höchstem Niveau
Am 27.3.2019 wurde in Ulm das Center for Electrochemical Energy Storage (CELEST) Ulm & Karlsruhe offiziell gestartet. Das Zentrum bezeichnet sich als größte deutsche Forschungsplatt- form in der elektrochemischen Ener- gieforschung. Am CELEST werden Forscher verschiedener Disziplinen hochleistungsfähige und umwelt- freundliche Energiespeicher entwi- ckeln. Gründer der Plattform sind das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Universität Ulm und das Zen- trum für Sonnenenergie- und Wasser- stoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW). Die Labore des Helmholtz-Insti- tuts Ulm sowie das ZSW Labor für Batterietechnologie sind modernst ausgestattet. Das Helmholtz-Institut Ulm (HIU) wurde im Januar 2011 vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) als Mitglied der Helmholtz-Ge-
meinschaft in Kooperation mit der Uni- versität Ulm gegründet. Mit dem Deut- schen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie dem Zentrum für Sonnen- energie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) sind zwei weitere renommierte Einrichtungen als assoziierte Partner in das HIU einge- bunden. Das internationale Team aus rund 120 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern forscht im HIU an der Weiterentwicklung der Grundlagen von zukunftsfähigen Energiespeichern für den stationären und mobilen Einsatz. POLiS, Post Lithium Storage Das standortübergreifende Exzellenz- cluster Post Lithium Storage (POLiS) wird für zunächst sieben Jahre mit rund 50 Millionen Euro gefördert. CELEST bündeln 29 Institute und 45 Arbeits-
gruppen der Partnereinrichtungen ihre Kompetenzen – von der Grundlagen- forschung über die praxisnahe Entwick- lung bis zur Batterieproduktion. Mit den Forschungsfeldern „Lithium-Ionen- Technologie“, „Energiespeicherung jen- seits von Lithium“ sowie „Alternative Techniken zur elektrochemischen Ener- giespeicherung“ deckt CELEST rele- vante Forschungsthemen der elektro- chemischen Energiespeicherung ab. Anders als viele Batterien, die heute Laptops, Smartphones, Elektroautos und Flugzeuge antreiben, sollen diese künftigen Energiespeicher ohne die
endlichen Elemente Lithium und Kobalt auskommen. ZSW, Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Das Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung Baden-Würt- temberg (ZSW) gehört zu den führenden Instituten für angewandte Forschung auf den Gebieten Photovoltaik, Bat- terien, Brennstoffzellen, regenerative Kraftstoffe sowie Energiesystem- analyse. An den drei ZSW-Standorten Stuttgart, Ulm und Widderstall sind 250
Am Raster-Elektonenmikroskop zur Untersuchung einer Metallstruktur
27.03.2019
Doktorand vom KIT untersucht die elektrochemischen Eigenschaften unterschiedlicher Materialien für neue Energiespeicher
Foto: H.Penner
Foto: H.Penner
Wissenschaftler, Ingenieure und Tech- niker beschäftigt. Hinzu kommen 90 wissenschaftliche und studentische Hilfskräfte. Das ZSW ist Mitglied der Innovationsallianz Baden-Württemberg (inn BW), einem Zusammenschluss von 13 außeruniversitären, wirtschafts- nahen Forschungsinstituten.
der Lithium-Sulfit-Zellen, so Oxis, sei sogar eine Energiedichte von bis 2500 Wh/kg möglich. Oxis- Zellen besitzen eine Entladungs- tiefe von 100% und bleiben bei Überladung sicher. Li-Ionen-Ak- kus können durch Tiefentladung beschädigt werden! Oxis liefert
seine Zellen auch an das Jet Pro- pulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, wo sie un- ter verschiedenen Bedingungen ausgewertet werden. Die Zellen werden auf ihre Energiedichte, Niedertemperaturleistung, Zyk- luslebensdauer, Selbstentladung und Kalenderlebensdauer unter- sucht. Airbus, Siemens, Daimler- Benz und Porsche in Deutsch- land sind bereits ebenfalls Kun- den. Eine enge Zusammenarbeit besteht mit dem Fraunhofer Insti- tut. Im Moment kann man bei den bescheidenen Fertigungskapazi- täten bis zur einer halben Million Zellen fertigen. Bis 2025 möchte man das auf 5 Millionen Zellen steigern. Zweifelsohne wird das auch andere Hersteller auf den Plan rufen, die an diesem lukrati- ven Wettbewerb mit teilhaben möchten.
Leistungs- und Qualitätsanforde- rungen erfüllt, um die Effizienz für zukünftige Elektroflugzeuge zu steigern.“ Oxis, schon länger in der Batterieforschung tätig, baut zurzeit in Brasilien mit dem dortigen Partner Codemig, eine Fertigungsanlage auf. Auf Basis
Über 50% leichter
Oxis Energy Oxis Energy
Foto: Bye Aerospace
07.11.2019
Am 6. November 2019 beschlos- sen der britische Zellenhersteller Oxis Energy und der amerikani- sche Flugzeugbauer Bye Aero- space ein 12-monatiges Koopera- tionsprogramm, um die mit dem Flugzeugtyp eFlyer 2 demnächst die erweiterte Flugerprobung beginnen wollen. Es ist primär darin vorgesehen, von den bisher eingesetzten Zellen auf die Lithi- um-Schwefel-Zellen umzusteigen, die bereits über 500 Wh/kg und das bei einer Kapazität von 20 Amperestunden bieten. Huw Hampson-Jones, CEO von OXIS, sagte: „Wir glauben, dass diese Zusammenarbeit Bye Aerospace das Vertrauen geben wird, dass die Systeme von Oxis Li-S die Batterietechnologie liefern wer- den, die die anspruchsvollen
Oxis Energy und Bye Aerospace beschließen Kooperation
Als führende Forschungsorganisation für anwendungsorientierte Forschung in Europa sind die Fraunhofer Institute Bindeglieder zwischen Forschung und Industrie. Sie entwerfen Produkte und verbessern Verfahren. Als jüngst die australische Monash Universität die Nachricht über demnächst verfügbare Lithium-Schwefel Batterien verbrei- tete, wurde man in Europa hellhörig. Angeblich sollten Autos damit Reich- weiten von 1000 Kilometer erreichen, was einer Vervierfachung herkömmli- cher Batterien bedeuten würde. Proto- typ-Zellen wurden zwar auch vom deutschen Forschungs- und Entwick- lungspartner Fraunhofer IWS in Dres- den hergestellt. Die Dresdner Forscher bestätigen auch das grundsätzliche Potenzial der Lithium-Schwefel-Tech- nologie, dämpfen aber die Hoffnung auf eine baldige Kommerzialisierung.
Die Technik sei sehr vielversprechend, befinde sich allerdings noch in der Entwicklung. „Erste Anwendungen werden dort gesehen, wo es um gerin- ges Gewicht geht, das gilt beispiels- weise in der Luftfahrt“, sagte der Lei- ter der Abteilung chemische Ober- flächen- und Batterietechnik am IWS, Holger Althues. Sein Team erforscht die Technik seit Jahren. Lithium- Schwefel-Zellen können bei gleichem Gewicht mehr Energie speichern als Lithium-Ionen-Akkus, sind dabei aller- dings größer. Der Vorteil der Lithium- Schwefel-Batterien sind die deutlich niedrigeren Kosten, auch das Gewicht ist geringer. In solchen Zellen besteht die Kathode aus einem Gemisch von Schwefel und Kohlenstoff und ersetzt die bisher vorherrschenden Kathoden aus Nickel, Mangan und Kobalt. „Das eröffnet das Potenzial für eine kosten-
günstige Zelle: Schwefel ist im Gegen- satz zu Nickel und Kobalt ein Abfall- produkt und weltweit verfügbar“, sagt Althues. Die Technologie hat sich aber noch nicht durchgesetzt, weil Proble- me mit der Stabilität der Kathode noch nicht gelöst waren. Beim Laden und Entladen dehnt sich diese deutlich stärker aus (bzw. zieht sich zusam- men), was zu feinen Rissen im Material und damit zu einem höheren Ver- schleiß führt. Das mit Dresden ver- netzte Stuttgarter Fraunhofer Institut IPA hat unter Federführung von Airbus und mit erhebliche Förderungsmitteln die Aufgabe übernommen, neben der Verbesserung der Kathode aus Schwe- fel und Kohlenstoff mit Hilfe neuer Ver- arbeitungsverfahren und der Erpro- bung von Hybridsystemen für den Elektrolyten – also der Mischung von Flüssig- und Fest-Elektrolyt –die Her- stellung der Lithium-Metall-Anode durch einen neuen, elektrochemischen Prozess zu übernehmen. Eines der Kernthemen des Projekts. Bisher werden Li-Metall-Anoden mit Hilfe von gewalzten Li-Folien herge- stellt. Diese können heute jedoch noch nicht viel dünner als 30 Mikrometer hergestellt werden, denn Lithiummetall neigt dazu, an anderen Oberflächen zu kleben. Deswegen muss eine gewisse Dicke für eine minimale mechanische Stabilität gegeben sein. Weil 30 Mikro- meter jedoch oft mehr sind, als die Zelle elektrochemisch benötigt, schleppen diese Zellen unnötiges Gewicht und damit unnötige Kosten mit. Um dies zu ändern, arbeitet die
Abteilung Galvanotechnik des Fraun- hofer IPA an einem elektrochemischen Prozess, mit dem beliebig starke Lithi- umschichten in einem Schritt auf Me- tallfolien aufgebracht werden können. Sowohl in Stuttgart als auch in Dres- den gibt man sich aber zurückhaltend. Frühestens 2022 werde man so weit sein, die bereits sehr seriennahen Er- gebnisse können dann als Prototypen an die Batterieforschungsfabrik in Münster übergeben werden. All dies zielt letztlich darauf, eine eigene Groß- produktion von Batteriezellen in der Bundesrepublik aufzubauen. 360 Wh/kg dann das Ziel bei deutlich über 1000 Ladezyklen. Davon ist Oxis in England noch meilenweit entfernt. Ihre Zellen schaffen gerade mal 75 Ladezy- klen.
Fraunhofer Institute in Dresden und Stuttgart treiben die Entwicklung den Li-S-Zellen massiv voran
Fraunhofer Institute in Dresden und Stuttgart treiben die Entwicklung den Li-S-Zellen massiv voran
Schichtdicken sind Problemzonen
Herstellung der Lithium-Batterie-Elektroden im Pilotmaßstab bei Fraunhofer Institut IWS in Dresden
Anode im Schmelzverfahren hergestellt
Macroaufnahmen: Trockenfilmverfahren
Fotos: Fraunhofer
Fotos: Fraunhofer IWS
21.01.2020
Fraunhofer IWS Fraunhofer IWS Fraunhofer IPA Fraunhofer IPA Arbeiten unter Schutzatmosphäre
Höhere Dichte dank Silizium
Das niederländische Start-up Ley- denJar eröffnete eine Pilotanlage zur Herstellung von Batterien der neuen Generation, die bis zu 50 Prozent mehr Energie speichern. Mit der Pilotanlage, die Mitte 2020 voll in Betrieb genommen werden soll, will man demonstrieren, dass die neuen verbesserte Zellen zum gleichen Preis wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien hergestellt werden können. Die höhere Ener- giedichte des Energiespeichers ist auf die von der Firma LeydenJar
patentierte poröse Siliziumstruk- tur bei den Anoden zurückzufüh- ren. Das Projekt wurde von der Europäische Union zusammen und anderen Investoren mit vier Millionen Euro gefördert.
22.11.2019
LeydenJar LeydenJar
Foto: LeydenJar
Forscher am KIT in Karlsruhe haben nach einem neuen Verfah- ren nachweisen können, wie man aus salzhaltigen Tiefengewässern im Oberrheingraben Lithiumionen aus dem Thermalwasser heraus- fil-tern kann und wie in einem zweiten Schritt Lithium als Salz ausgefällt werden kann. Das inzwischen patentierte, nach sei- nen Erfindern benannte Grimmer- Saravia-Verfahren soll nun in einer ersten Versuchsanlage umgesetzt werden, um daraus
Lithiumkarbonat bzw. Lithiumhy- droxid zu gewinnen. Wenn die Versuche erfolgreich sind, ist der Bau einer Grossanlage geplant. Möglich wäre dann eine Produk- tion von mehreren hundert Ton- nen Lithiumhydroxid pro Jahr pro Geothermie-Anlage. Nach aktuel- ler Datenlage belaufen sich die Potenziale im Oberrheingraben auf deutscher und französischer Seite auf mehrere tausend Tonnen an förderbarem Lithium pro Jahr.
03.07.2020
KIT KIT
Deutsches-Lithium aus den Tiefen des Oberrheingraben
Weltweit treiben Hersteller die Entwick- lung von Brennstoffzellen voran. Ein neues deutsches Konjunkturprogramm soll besonders die Wasserstofftechno- logie für den gesamten mobilen Be- reich beschleunigen helfen. Bislang gibt es nur das viersitzige Flugzeug HY4 des DLR in dem Wasserstoff, die Brennstoffzellen zur Stromerzeugung betreibt. Weitaus häufiger sind Anwen- dungen inLKW’s, Bussen und andere Nutzfahrzeugen.
systeme etwas mehr als die Hälfte aus- machen. Es funktioniert bei mehr oder weniger jeder realen Temperatur von - 50 bis +50 °C und darüber hinaus. Und während es sich zu diesem Zeitpunkt noch im Labor befindet, geht das Team davon aus, dass diese Brennstoffzellen etwa 20.000 Stunden ohne Wartung halten werden - ein weiterer sehr wich- tiger Faktor für zukünftige kommerziel- len Betreiber. Der Entwicklungsplan sieht für dieses Jahr noch vor, 15- bis 20-kW-Prototy-
Start-up Unternehmen weckt Hoffnungen für leichte und preiswerte Brennstoffzellen
Darin sieht das junge Start-up-Unter- nehmen HyPoint in Kalifornien eine große Chance für bestimmte Bereiche in der Luftfahrt, denn sie haben den riesigen Markt der eVTOL’s im Visier, deren Flugdauer mit heutigen Lithium- Ionen-Batterien zu stark begrenzt ist. Ihre Entwicklung konzentriert sich auf ein turbo-luftgekühltes Brennstoffzel- len-Design mit extrem hoher Energie-
dichte. Um diese Fluggeräte wirtschaft- lich zu betreiben, müssen sie den gan- zen Tag für den Einsatz verfügbar sein. Lange Ladezeiten, wie etwa für Batte- rien an den Ladestationen, stellen da- bei keine Lösung dar. Die Energiedichte des Gesamtsystems liegt bei etwa 960 Wh/kg, wobei Lithi- umbatterien normalerweise nur 250 Wh/kg hergeben und andere luft- und flüssigkeitsgekühlte Brennstoffzellen-
Versuchsstacks im kalifornischen Labor von HyPoint
pen zu bauen. Dem dann bis 2022 ein volleinsetzbares System mit 150-200- kW folgen wird. Bei Grossserienferti- gung werden sich die Preise zwischen 100 und 500 $/kW einpendeln, während flüssigkeitsgekühlte Systeme zwischen 300 und 600 $/kW liegen. Ihr zusätzli- cher Nachteil, sie müssen noch das komplette Kühlsystem mitschleppen.
Foto: Eviation
HyPoint HyPoint
Foto: HyPoint
05.06.2020
Zuerst eVTOL im Visier
Die Energiedichte von 960 Wh/kg schlägt bereits jedes Batteriesystem
100 $/kW als erreichbares Ziel
Foto: HiPoint
Versuchsmuster mit Wasserstofftank
HyPoint Brennstoffzellen-Stack
Drohne als Testmodul
Foto: HiPoint
Foto: HyPoint

Elektrisches Fliegen - die Zukunftsperspektive

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Electric Flight
ZSW ZSW