Panorama

Forschen für nachhaltige Batterien der Zukunft

06.04.2020 - Forschungsinitiative Battery 2030+ stellt langfristige Roadmap vor.

Der Wandel zu einer klima­neutralen Gesellschaft erfordert grund­legende Verände­rungen bei der Erzeugung und Nutzung von Energie. Batterien sind bei dieser Trans­forma­tion einer der Schlüssel­faktoren. Es muss gelingen, sie nach­haltig, sicher und erschwing­lich zu machen und gleich­zeitig eine extrem hohe Leistung zu erzielen. Die große europä­ische Forschungs­initiative Battery 2030+ stellt jetzt die lang­fristige Roadmap für die Entwick­lung nach­haltiger Batterie­techno­logien für eine klima­neutrale Gesell­schaft der Zukunft vor.

Die Roadmap wurde im Rahmen eines europa­weiten Konsulta­tions­prozesses entwickelt. Sie identi­fiziert drei Haupt­forschungs­richtungen, um die Entwick­lung zukünftiger Batterie­genera­tionen beschleunigen zu können. Eine wichtige Rahmen­bedingung der Roadmap ist der methodisch orien­tierte und chemie­neutrale Ansatz. Die Initiative zielt auf sichere, günstige, nach­haltige und leistungs­fähige Batterie­techno­logien, auf die Bereit­stellung neuer Werk­zeuge und computer­gestützter Entwick­lungs­methodiken, sowie auf disruptive Techno­logien für die europäische Batterie­industrie – und damit auf die Sicherung einer europä­ischen Techno­logie­führer­schaft im Bereich dieser neuen Batterie­generation.

„Bei Battery 2030+ geht es nicht um die Entwick­lung einer bestimmten Batterie­chemie, sondern darum, die Möglich­keiten digitaler Techno­logien wie der künst­lichen Intel­ligenz zu nutzen, um den Entwick­lung­sprozess zukünftiger intelli­genter und vernetzter Batterien zu beschleunigen. Mit Battery 2030+ treten Batterie­design und -entwick­lung in das digitale Zeitalter ein“, erläutert Kristina Edström von der Univer­sität Uppsala in Schweden, Koordi­na­torin der Initiative.

Ein wesentliches Ziel ist von Battery 2030+ ist dabei, den geringst­möglichen CO₂-Fußabdruck für Batterien zu erreichen. Dazu sollen nach­haltig abgebaute Materialien, höhere Material­ressourcen­effizienz und intelli­gentere Funktionen, umwelt­freund­lichere skalier­bare Herstel­lungs­prozesse für erschwingliche Batterielösungen sowie effi­zientere Recycling- und Wieder­auf­berei­tungs­prozesse beitragen. Die drei wichtigsten Forschungs­themen der Roadmap sind deshalb die beschleunigte Entwick­lung von Grenz­flächen und Materialien, die Integration intelli­genter Funktio­nali­täten sowie die Herstell­barkeit und Recycling­fähig­keit als Quer­schnitts­bereiche.

Zentrales Element von Battery 2030+ ist der Aufbau einer digitalen Entwick­lungs­platt­form zur beschleu­nigten Entwick­lung von Batterie­materialien. Die Neu­defini­tion und Beschleu­nigung wird durch die Kombi­nation besonders leistungs­fähiger Verfahren zur Hoch­durch­satz-Synthese und -Charak­teri­sierung mit computer­gestützter Material­entwicklung sowie automa­ti­sierter statis­tischer Daten­analyse erreicht. Darauf aufbauend wird Battery 2030+ ein detail­liertes Verständnis elektro­chemischer Grenz­flächen in Form eines „Battery Inter­faces Genome BIG“ entwickeln. Diese Grenz­flächen bestimmen maßgeb­lich die Eigen­schaften jeder Batterie. Deshalb sind das Verständnis und die Anpassung der Mechanismen an der Grenz­fläche Schlüssel für sichere, lang­lebige und nach­haltige Batterien der Zukunft.

Selbst die besten Batterien unter­liegen Alterungs­prozessen und werden irgend­wann ausfallen. Einfluss­faktoren wie extreme Tempera­turen, mechanische Beanspruchung, über­mäßige Leistungs­anforde­rungen während des Betriebs und weitere Alterungs­prozesse wirken sich nach­teilig auf die Leistung und Lebens­dauer der Batterie aus. Deshalb müssen neue Wege gefunden werden, um den vor­zeitigen Ausfall von Batterien zu verhindern. Die Kombi­nation von Sensorik und Selbst­heilung ist daher ein zentraler Bestand­teil der Battery 2030+ Roadmap.

In der Batterie der Zukunft werden chemische und elektro­chemische Reaktionen direkt in der Batterie­zelle über­wacht. Es werden neue Sensor­konzepte entstehen, die frühe Stadien des Batterie­versagens aufspüren können oder unerwünschte Neben­reaktionen, die zu einer schnellen Batterie­alterung führen. Intelli­gente Methoden und Materialien zur Reparatur von Schäden im Inneren einer Batterie, die sonst zu einem Batterie­versagen führen würden, können Batterien sicherer, zuver­lässiger und nach­haltiger machen. Die Entwick­lung und der Einsatz derartiger Materialien wird für zukünftige Batterien relevant werden.

Wirtschaftliche Herstell­barkeit und Recycling­fähigkeit von Batterien sind wichtige Quer­schnitts­themen, die parallel zu den drei Haupt­bereichen entwickelt werden. Wissen und moderne Methoden zur Herstellung und zum Recycling der Batterien zu verknüpfen, wird von Anfang an integraler Bestand­teil der Battery 2030+ Roadmap sein. So wird sicher­gestellt, dass alle Forschungs­ansätze zu tatsäch­lich produktions- und recycling­fähigen neuen Batterien führen, die nicht nur kosten­günstig, sondern auch möglichst klima­neutral sind.

Fh.-ISC / RK

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