Pro­zes­se im In­nern von Fest­kör­per­bat­te­ri­en bes­ser ver­ste­hen

Als Batterien der nächsten Generation haben Festkörperbatterien das Potenzial, die Elektro­mobi­lität massen­taug­lich zu machen und Strom aus erneuer­baren Energien lang­fristig, effi­zient und zuver­lässig zu speichern. Sie zeichnen sich aus durch große Speicher­kapazi­täten, kurze Lade­zeiten und hohe Sicher­heit. Im jetzt starten­den Kompetenz­cluster FestBatt forschen deutsch­land­weit 14 wissen­schaft­liche Ein­rich­tungen gemeinsam an der Ent­wick­lung und Produk­tion dieser neu­artigen Batterie­techno­logie. Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raum­fahrt bringen dabei ihre Kompe­tenzen im Bereich der Model­lie­rung und Simu­la­tion ein, um die grund­legenden Prozesse im Inneren einer Fest­körper­batterie besser zu ver­stehen.

Computertomographische Aufnahme der Lithium­ionen-Ver­tei­lung einer Batterie­elek­trode. (Bild: DLR)

Die aktuell häufig eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien haben in ihrem Inneren einen flüssigen Elektro­lyten. Dieser ermög­licht den Aus­tausch der Ionen zwischen den beiden Elek­troden und somit die Strom­produk­tion – er ist aller­dings auch brenn­bar. Fehler bei Lade­vor­gängen, Betrieb oder Lage­rung können zu Brand oder Explo­sion der Batterien führen. Im Gegen­satz dazu bestehen Elek­troden und Elektro­lyt bei Fest­körper­batterien aus festen Materi­alien, die nicht ent­flamm­bar sind. Zudem zeichnen sie sich durch eine lange Lebens­dauer und Lager­fähig­keit aus und zeigen auch bei Tempe­ratur­schwan­kungen keine plötz­lichen Leistungs­ein­brüche. Diese neu­artige Batterie­techno­logie könnte Elektro­fahr­zeugen eine höhere Reich­weite ermög­lichen und sie sicherer machen.

Der Schwerpunkt des Kompetenzclusters liegt auf der Erforschung der benötigten Materi­alien sowie der für die Kommer­ziali­sierung notwen­digen Prozess­techno­logie. Wissen­schaftler der Abtei­lung für computer­ge­stützte Elektro­chemie des DLR-Instituts für tech­ische Thermo­dynamik werden dazu am Helm­holtz-Institut Ulm gemeinsam mit Partnern an der TU Darm­stadt, der TU München, der Uni Münster sowie am Helm­holtz-Institut Münster und am Karls­ruher Institut für Techno­logie in einer Methode­nplatt­form arbeiten, die Theorien und Daten rund um die Fest­körper­batterie zusammen­bringt. „Wir werden vor allem computer­basierte Modelle und Simu­la­tionen ent­wickeln, mit deren Hilfe wir die Prozesse im Inneren von Fest­körper­batterien besser ver­stehen und opti­mieren können – von der Material­ebene über die Struktur der Elek­troden bis hin zur Batterie­zelle“, erklärt Arnulf Latz, der die Abtei­lung für computer­ge­stützte Elektro­chemie am DLR-Institut für tech­nische Thermo­dynamik und Helm­holtz-Institut Ulm leitet. Das Bundes­minis­terium für Bildung und Forschung fördert FestBatt mit 16 Millionen Euro für einen Zeit­raum von sechs Jahren. Koordi­niert wird das Vor­haben durch Jürgen Janek von der Uni Gießen. (Quelle: DLR / pro-physik.de)

Links: Physikalische Festkörperchemie – Festkörperionik und Elektrochemie (J. Janek), Physikalisch-Chemisches Institut, Justus Liebig-Universität Gießen • Abt. für computergestützte Elektrochemie (A. Latz), Institut für technische Thermodynamik, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Ulm

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