CD-Labor for Lithium-Batterien - Alterungseffekte, Technologie und neue Materialien

In diesem Labor werden die chemischen Prozesse in wiederaufladbaren (Lithium-)Batterien detailliert erforscht, neue Materialien und Managementsysteme sollen z.B. die Lebensdauer verlängern und Ladezeiten verkürzen. Anwendungsmöglichkeiten reichen von tragbaren Elektronikprodukten bis zu Elektroautos.

Die relativ hohen Speicherkapazitäten und der schnelle Ladungsträgertransport von Lithium sind viel-versprechende Voraussetzungen für die Entwicklung neuer Energiespeichersysteme.

Die elektrochemischen Prozesse, die während des Auf- und Entladens einer Batterie bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen ablaufen, sind aus materialwissenschaftlicher Sicht sehr komplex. Diese Prozesse besser verstehen zu lernen, sie zu charakterisieren, zu quantifizieren und im Idealfall auch auf Basis experimenteller Daten zu simulieren, wird dazu beitragen, neue und bessere Energiespeichersysteme zu entwickeln.

Hier setzt dieses Labor an: Die chemischen und (festkörper-)elektrochemischen Prozesse in Batterien werden detailliert untersucht. Welchen Einfluss haben die Temperatur, der Zeitpunkt der Wiederaufladung oder die kalendarische und betriebliche Alterung? Effekte, die z.B. für Alterungserscheinungen verantwortlich sind, werden identifiziert und charakterisiert.

Dazu wird eine Vielzahl von bildgebenden und spektroskopischen Techniken eingesetzt, die in dieser Kombination im europäischen Forschungsraum fast einzigartig ist:

Neben Verfahren zur (festkörper-)elektrochemischen Charakterisierung, wie z. B. der sogenannten Impedanzspektroskopie, gehören dazu auch hochauflösende Verfahren zur Strukturaufklärung. Vervollständigt wird der verfügbare Methodenpool durch den Einsatz von kernresonanzspektroskopischen Methoden, mit denen lokale elektronische Strukturen ebenso untersucht werden können wie die Beweglichkeit von Lithium-Ionen in der Batterie.

Mit der Erforschung der grundlegenden Vorgänge verfügt man über die naturwissenschaftliche Basis, um Lebensdauer, Leistungsfähigkeit und Sicherheit der Energiespeichersysteme weiter zu verbessern. Zu den langfristigen Zielen gehört die Entwicklung von intelligenten Batteriemanagementsystemen, welche z. B. die Aufladeprozesse einer Batterie im Hinblick auf eine optimale Nutzung steuern.

Weiteres Ziel ist die Entwicklung von neuen Materialien und Speicherkonzepten, z. B. mit hochkapazitiven Anodenmaterialien.

Der Bedarf an modernen elektrochemischen Systemen zur Energiespeicherung wird weiterhin stark ansteigen. Beispielsweise werden Lithium-Batterien zunehmend als die Technologie der Wahl für die nächste Generation von Elektroautos gesehen. Sie sind international Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten. Ein umfassendes Verständnis der elektrochemischen Prozesse wird helfen, neue Speichersysteme zu entwickeln und bekannte Konzepte zu verbessern, um die Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Stabilität von Batterien weiter zu steigern.