Energiespeicher der Zukunft aus Braunschweig

Elektrische Mobilität ist eine der bedeutendsten Innovationen des 21. Jahrhunderts, ob als leistungsfähiges Smartphone oder sportliches E-Auto. Ihr Herzstück sind wieder aufladbare Energiespeicher wie zum Beispiel Lithium-Ionen-Akkus. Klein und leicht sollen sie sein, hohe Kapazitäten besitzen und die Umwelt möglichst wenig belasten. Keine einfache Entwicklungsaufgabe und in dieser Bandbreite nur im interdisziplinären Verbund von renommierten Spitzeneinrichtungen zu bewältigen. Die Region Braunschweig ist eines der führenden Forschungscluster in der Batterieentwicklung und im europäischen Netzwerk bestens für den globalen Wettbewerb aufgestellt.

© Frank Bierstedt/TU BraunschweigProf. Arno Kwade ist einer der führenden deutschen Wissenschaftler im Bereich Batteriezellentwicklung.

„Die Batteriezellforschung in Braunschweig ist stark ingenieurwissenschaftlich geprägt und somit sehr praxisorientiert“, erklärt mir Prof. Arno Kwade. „Bei uns geht es darum, den gesamten Weg vom Labor über die Produktion bis in die Anwendung skalierbar abzubilden. Das bietet in diesem Umfang keine andere Region in Deutschland.“ Der auf Verfahrenstechnik spezialisierte Maschinenbau-Ingenieur ist seit 2005 Leiter des Instituts für Partikeltechnik (iPAT) der TU Braunschweig und damit von Anfang an ganz nah an der hiesigen Batteriezellforschung – auch wenn sich Partikeltechnik eigentlich nicht danach anhört.

© Marisol Glasserman/TU BraunschweigForscherinnen der Battery LabFactory dosieren die Feststoffpartikel einer zukünftigen Batterie.

Vom kleinsten Partikel zur marktreifen Batterie

Denn Partikeltechnik ist die Wissenschaft von der Herstellung und Verarbeitung kleinster Partikel: „Eine Lithium-Ionen-Batterie besteht aus einer Kathode und einer Anode. Diese bestehen im Wesentlichen aus Partikeln, in denen Ionen ein- und ausgelagert werden können“, erklärt mir Prof. Kwade, der für seine wissenschaftlichen Leistungen bereits mit einer Mitgliedschaft in der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften geehrt wurde. „Wir stellen diese Partikel her und tragen sie in hauchdünnen Schichten von ungefähr 100 Mikrometer auf die Stromableiter auf.“ So entsteht das Innenleben moderner Akkus. Und deren Entwicklung widmen sich allein am iPAT inzwischen 40 wissenschaftliche Mitarbeiter.

© Marisol Glasserman/TU BraunschweigAn der Beschichtungsanlage des iPAT tragen wissenschaftliche Mitarbeiter die Partikel hauchdünn auf den Stromableiter auf.

Doch wo sind hier noch Innovationen möglich? „Sie müssen sich die Entwicklung von Batteriezellen wie Kuchenbacken vorstellen“, verdeutlicht Prof. Kwade. „Sie wählen zuerst die Zutaten, die sie für eine bestimmte Batteriezelle brauchen. Aber wie mischt und verarbeitet man diese Zutaten nun, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen?“ Derlei Experimente kosten Zeit und Geld, und so setzt man zunehmend auf Computersimulationen: „Damit lassen sich die einzelnen Prozesse simulieren, um vorherzusagen, was bei welchen Parametern mit den Materialen passiert, damit sich am Ende die gewünschten Zelleigenschaften ergeben“, erklärt mir Prof. Kwade. „Und in den nächsten Jahren möchten wir den Schritt in Richtung Festkörper-Elektrolyte machen, wodurch sich beispielsweise im PKW-Bereich die Energiedichte um bis zu 50% erhöhen ließe – bei noch größerer Sicherheit und hohem Potential für eine schnellere Aufladung.“

© TU BraunschweigKurzporträt der Battery LabFactory Braunschweig (BLB), ein interdisziplinäres Forschungszentrum der TU Braunschweig. Forschungsschwerpunkt ist die ganzheitliche und wissensbasierte Produktion von Batteriezellen.

Dreh- und Angelpunkt der regionalen Batteriezellforschung ist die Battery LabFactory (BLB). Unter Leitung von Prof. Kwade bündelt der Verbund die Expertise von acht Instituten der TU Braunschweig mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), der TU Clausthal und der LU Hannover in enger Kooperation mit dem Niedersächsischen Forschungszentrum für Fahrzeugtechnik (NFF), der Open Hybrid LabFactory (OHLF), dem Niedersächsischen Forschungszentrum für Luftfahrt (NFL), dem Zentrum für Brandforschung (ZeBra) und dem Forschungszentrum für Digitalisierung, Informatik und Informationstechnik (TUBS.digital). „Derart komplexe Themen benötigen starke interdisziplinäre Zusammenarbeit“, erklärt mir Prof. Kwade. „Die BLB deckt von der Chemie und der Elektrotechnik über die Verfahrens- und Produktionstechnik bis hin zur Betriebswirtschaft alle erforderlichen Disziplinen ab.“ Ihr Herzstück ist eine Pilotlinie zur Batteriezellfertigung, bei der pro Tag rund zehn große Batteriezellen und über 100 kleine Laborzellen für Testzwecke gebaut werden können.

Gemeinsam für Europa

Eingebettet sind die BLB und ihre regionalen Partner neuerdings auch in das europäische Forschungsnetzwerk LiPLANET. Dessen Ziel ist es, die industrielle Serienfertigung moderner Batterietechnologien zu beschleunigen und so die Position der Europäischen Union auf dem Markt zu stärken: „Wir möchten durch diese Vernetzung eine Wissensstärke wie in Asien schaffen, wo an einzelnen Standorten extrem große Einrichtungen arbeiten“, erklärt mir Prof. Kwade, der auch mit der Leitung dieses EU-Projekts betraut ist. „Mit LiPLANET erreichen wir eine ähnliche Stärke, aber dezentral an unterschiedlichen Orten in Deutschland und Europa. So ein grenzübergreifendes Netzwerk für Batterie-Pilotlinien, das alle wichtigen Akteure vereint, ist weltweit einzigartig.“

© Marisol Glasserman/TU BraunschweigEine fertige Batteriezelle wird an einem Batterietestsystem geprüft.

Einen weiteren Schub für die Batterieentwicklung in Europa soll auch das Forschungsvorhaben DEFACTO mit zahlreichen Partnern aus Spanien, Frankreich, Belgien, der Schweiz und Deutschland geben, an dem auch das Braunschweiger iPAT von Prof. Kwade beteiligt ist. „Ziel ist die Entwicklung eines digitalen Tools basierend auf der Kopplung verschiedener Simulationsmethoden. Wir wollen damit das Verständnis hinsichtlich der Materialwahl sowie der Elektroden-Herstellung und -Verarbeitung auf europäischer Ebene vertiefen“, so der Forscher.

Und die gemeinsamen Bestrebungen tragen Früchte: „Deutschland ist international in der Forschung mindestens gleichauf und in der Prozesstechnik sogar führend“, fasst Prof. Kwade die Entwicklung zusammen. „Aber wir dürfen auf keinen Fall stehenbleiben. Auch die Industrie muss entsprechende Großanlagen aufbauen können und dabei gefördert werden – und zwar möglichst schnell und unbürokratisch.“

Text: Stephen Dietl, 26.03.2020