Gemeinsam forschen für bessere Batterien

Dass die Elektromobilität – das Fahren mit elektrisch angetriebenen Autos – noch nicht zu einem Durchbruch gekommen ist, liegt zum Teil daran, dass die heute verfügbaren Batterien noch zu schwer sind und die Reichweite der Autos als Folge zu klein ist. Wissenschaftlich ausgedrückt heisst das, dass die Energiedichte der Batterien zu gering ist, man also zu wenig Energie pro Kilogramm Batterie speichern kann. Materialien und Komponenten für neue Batterietypen mit höherer Energiedichte zu entwickeln, wird ein wesentliches Ziel des Forschungsnetzwerks Elektrochemie und Batterien sein, das der deutsche Chemiekonzern BASF initiiert hat und an dem das Paul Scherrer Institut sowie Forschungseinrichtungen aus Deutschland und Israel beteiligt sind.

Hohe Energiedichte

Die Arbeiten werden sich insbesondere auf Lithium-Schwefel- und Lithium-Luft-Batterien konzentrieren. Für jede Kombination von Elektrodenmaterialien gibt es einen maximalen theoretischen Wert für die Energiedichte. Lithium und Sauerstoff, die in der Lithium-Luft-Batterie verwendet würden, haben fast den höchsten möglichen Wert erklärt Professor Petr Novák, Leiter der Sektion Elektrochemische Speicher am Paul Scherrer Institut. Arbeiten zu diesem Batterietyp sind aber zuerst noch anwendungsorientierte Grundlagenforschung – es wird noch mehrere Jahre dauern, bis die ersten Exemplare auf den Markt kommen können.

Vorgänge in Batterien der Zukunft verstehen

In dem Forschungsnetzwerk wird das PSI vor allem seine Kompetenz auf dem Gebiet der Analytik einbringen erklärt Novák. Wir haben grosse Erfahrung bei der Untersuchung von Batteriekomponenten und betreiben die nötigen Einrichtungen. Wertvolle Einblicke in Batteriematerialien können am PSI auch an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS gewonnen werden, für die auch im Rahmen dieses Projekts Messzeit beantragt werden kann. Diese analytischen Methoden des PSI erlauben es, die Vorgänge in den Batterien in situ, d.h. während des Ladens und Entladens zu verfolgen. So kann man untersuchen, wie die verwendeten Materialien beschaffen sein müssen, damit die Batterie über die geplante Einsatzzeit mit sehr guten Spezifikationen funktioniert. Das so gewonnene Wissen ist Voraussetzung für die Entwicklung immer besserer Batterien. Stichworte sind hier unter anderem Energieeffizienz, das heisst möglichst viel von der Energie, die beim Laden in die Batterie gebracht wurde, soll beim Entladen zur Verfügung stehen, und Zyklenfestigkeit, die Batterie soll also möglichst oft geladen und entladen werden können. Dabei wird bei diesen Arbeiten stets berücksichtigt, dass die entwickelten Batterien sicher und umweltfreundlich sind.

Forschen im internationalen Netzwerk

Der grösste Teil der Arbeiten in der Batterieforschung am PSI geschieht im Rahmen von Projekten mit akademischen Partnern, anderen Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen. Das neue Forschungsnetzwerk Elektrochemie und Batterien ist von der BASF gemeinsam mit dem PSI, der Universität Giessen, der Technischen Universität München und der Bar-Ilan Universität (Israel) gegründet. Dabei sollen gemeinsam grundlegende Fragen zu Materialien, Komponenten und Systemen für die Elektromobilität und Stromspeicherung entwickelt werden. Das Netzwerk ist Teil einer Strategie der BASF, ihre Aktivitäten bei der Entwicklung der zukünftigen Batteriegenerationen zu intensivieren.