Die Arbeit an Batterielösungen für eine finanzierbare, nachhaltige und effiziente E-Mobilität ist ohne Zweifel interdisziplinär – und für den Standort Deutschland absolut dringlich. Nun mischen die Wissenschaftler aus dem oberfränkischen Bayreuth verstärkt mit: Dr. Matthias Daab, Koordinator des Bayerischen Zentrums für Batterietechnik (BayBatt) im Gespräch über Forschungsschwerpunkte und Zielsetzungen des neuen Forschungszentrums.
Dr. Daab, aktuell wird ein Szenario skizziert, in dem Deutschland zwischen China (Produktion) und den USA (Entwicklung) steht. Ist Teslas neuer Standort hierzulande ein Schritt Richtung Unabhängigkeit?
Der Aufbau jeglicher Produktionskapazitäten von Batteriezellen und Batteriematerialien wird den hiesigen Batteriestandort stärken und ebenso wichtige Impulse für den Bereich Forschung & Entwicklung in diesem dynamischen Feld setzen. Damit werden Produktion sowie Forschung & Entwicklung gleichzeitig gestärkt. Impulse gehen neben Teslas Batterieproduktion ebenso von den europäischen Kooperationen in diesem Bereich aus, wie zum Beispiel die von VW und Northvolt in Salzgitter sowie die Kooperation von Opel, PSA und dem französischen Batteriehersteller Saft. Viele weitere namhafte Projekte im Batteriesektor, wie die innovativen Lösungen von Varta und die Modulfertigung von Webasto, werden den Trend verstärken. Eine vollständige Auflistung würde den Rahmen dieses Beitrags sicherlich sprengen, was das Interesse der ingenieur- und naturwissenschaftlichen Absolventen am Themenkomplex Batterie weiter beflügeln wird.
Wenn nun deutsche Autohersteller sich vom outsourcing abwenden und eigene Forschungs- und Produktionskapazitäten hierzulande aufbauen wollen – wie steht es um das Thema Recruiting: Müssen neue Studiengänge geschaffen werden, um neue interdisziplinäre Experten heranzuziehen?
Die zielgerichtete Ausbildung in diesem Feld ist erklärtes Ziel des BayBatt. Den Bachelorabsolventen aus den Ingenieur- und Naturwissenschaften wird unser Masterstudiengang „Batterietechnologie und Batteriesystemtechnik“ offenstehen, der die Absolventen für die herausfordernden Karriereoptionen im Batteriesektor vorbereitet und der nun in Planung ist. Unsere Doktoranden werden bereits heute in unserem BayBatt-Graduiertenkolleg zielgerichtet auf interdisziplinäres Arbeiten im Batteriesektor durch Kooperationen in fakultätsübergreifenden Forschungstandems vorbereitet.
Welche Themen herrschen im BayBatt aktuell vor, welche Projekte werden forciert?
Das BayBatt gliedert sich in vier Themen Schwerpunkte entlang der Wertschöpfungskette der Batterie, die fakultätsübergreifend erforscht werden. Die Größenskalen reichen von der atomistischen Struktur über die Strukturierung von Elektroden und der Zellassemblierung bis hin zum Batteriemodul im Kontext vernetzter Energiespeicher. Unsere Schwerpunkte sind:
1.) Sichere High-Performance Materialien
Neuartige Separatoren via Elektrospinnen und Entwicklung Li-Ionen leitender Keramikplättchen liefern dünnere, gut benetzbare Materialoptionen für hocheffiziente Batterieseparatoren. Im Bereich der Forschung und Entwicklung von All-Solid-State Batterien stehen Arbeiten zur Forschung an Feststoffelektrolyten auf Basis von ionogenen Blockkopolymeren und Li-Granate im Fokus, sowie die Prozessierungsmethode der Powder-Aerosol-Deposition. Als neuartige und sichere Kathoden-Aktivmaterialien werden unter anderem schichtförmige polyanionische auf Eisen basierende Materialien untersucht, die einen Redoxwechsel von Fe(II) nach Fe(IV) erlauben.
2.) Grenzflächenphänomene und Transportprozesse in Batterien
Der Ladungs- und Materialtransport innerhalb eines elektrochemischen Energiespeichers wird durch Grenzflächenprozesse bestimmt und hat damit einen wesentlichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Batteriesystemen. Die Ausbildung der Solid Electrolyte Interphase (SEI) sowie von Defektstrukturen auf Elektroden nach mehreren Ladezyklen stellen in vielen Fällen den entscheidenden limitierenden Faktor für den Ladungstransport an Elektrolyt/Elektroden Grenzflächen dar. Am BayBatt werden Kombinationen von analytischen Techniken für die Untersuchung von Batteriematerialien unter in-situ Bedingungen sowie in-operando weiterentwickelt. Im Fokus stehen dabei zum Beispiel die Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), die Röntgentomographie, Scanning Electrochemical Microscopy (SECM) und Raman-Mikroskopie. Darüber hinaus steht im Nordbayerischen NMR-Zentrum modernste in-operando-NMR-Analytik zur Verfügung.
3.) Intelligente Batterie
Ziel dieses Forschungsschwerpunktes ist es, Batteriesysteme zu befähigen, den eigenen Zustand hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Strombelastbarkeit und Restkapazität zu bestimmen und zu prognostizieren. Eine intelligente Batterie soll in der Lage sein, mit dem überlagerten Energiesystem bidirektional zu kommunizieren, Anforderungen entgegenzunehmen und Limitierungen zurückzumelden. Erkenntnisgrundlage ist hierbei die elektrochemische Operando-Analyse und die experimentelle Diagnose von Materialien und Grenzflächen.
4.) Vernetzte Batteriespeicher – Daten, Kommunikation und Wirtschaftlichkeit
Durch die Zunahme batterieelektrischer Fahrzeuge und stationärer Speicher wird zukünftig eine Vielzahl neuer Batteriespeicher am Strommarkt teilnehmen. Im BayBatt werden Lösungen für vernetzte Speicher technisch und wirtschaftlich untersucht und entwickelt, so dass sie ihr volles Potenzial im Markt entfalten können. Insbesondere soll die Dynamik des Speichersystems und dessen Eignung für spezifische Systemdienstleistungen wie Momentanreserve, Primärregelung und Schwarzstartfähigkeit in den Blick genommen werden.
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