Forschung : Wie das AIT Batterien klimafreundlich machen will

Der Verkehrssektor zählt mit einem Anteil von 30 Prozent zu den größten CO2-Emittenten. In diesem Bereich besteht sehr großer Handlungsbedarf, um die Klimaziele erreichen zu können. Elektrofahrzeuge gehen wesentlich effizienter mit Energie um als herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren und spielen daher in Zukunft eine entscheidende Rolle.

Gemeinsam mit vielen Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft werden im AIT Center for Low-Emission Transport in einem ganzheitlichen Ansatz Komponenten und Technologien entwickelt, die die Elektromobilität effizienter, leistungsfähiger, sicherer, nachhaltiger und leistbarer machen. Eine wichtige Stoßrichtung dabei ist die Entwicklung leistungsfähiger und umweltfreundlicher Batterien.

Die Suche nach der „idealen Batterie“

Die Aktivitäten am AIT rund um elektrifizierte Mobilität-Antriebe konnten in den vergangenen Jahren stark ausgeweitet werden. Als Folge dieses starken Wachstums und zur Schärfung des strategischen Fokus wurde nun eine eigene Competence Unit „Battery Technologies“ ins Leben gerufen. Die neue Competence Unit mit rund 30 hochspezialisierten ExpertInnen wird geleitet von Marcus Jahn und bearbeitet die folgenden zukunftsträchtigen und erfolgversprechenden Forschungsfelder:

· Battery Materials Development and Characterisation
· Sustainable and Smart Battery Manufacturing
· Solid State Batteries

Diese Forschungsbereiche sind hinsichtlich Orientierung, Inhalt und Zeithorizont unterschiedlich ausgerichtet – sie eint aber ein gemeinsames Ziel: die Suche nach der „idealen Batterie“. „Die ideale Batterie verfügt über eine hohe Energie-bzw. Leistungsdichte, sie ist umweltfreundlich, sicher und kostengünstig“, fasst Jahn zusammen. Mit den derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien ist man noch ein Stück weit von diesem Ziel entfernt. Denn sie bringen eine Reihe von Herausforderungen mit sich, etwa hinsichtlich Alterung, Sicherheit, Ressourceneinsatz oder Recycelbarkeit.

„Der ideale Akku wird wahrscheinlich nicht eine einzige Zellchemie oder Form sein. Denn es ergeben sich aus vielen Anwendungsgebieten sehr viele verschiedene Anforderungen“, so Jahn. Im stationären Bereich z.B. sei der Kostenfaktor am wichtigsten, die Energiedichte hingegen nicht so entscheidend. Ganz andere Anforderungen gebe es etwa bei einem Handy oder einem Fahrzeug. Allerdings gebe es gewisse Parameter, insbesondere Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Nachhaltigkeit, die bei allen Batterietypen und Anwendungen eine große Rolle spielen.

Drei strategische Stoßrichtungen

In Bereich „Battery Materials Development and Characterisation“ werden unter der Leitung von Damian Cupid neue Materialien entwickelt, die Lithium in Zukunft ablösen könnten („Beyond Lithium“). Lithium bringt einige technische Probleme mit sich (etwa die Alterung oder bei der Sicherheit) und gilt überdies als kritischer Rohstoff, der in nur wenigen Ländern in großem Stil gewonnen wird. Als mögliche Alternativen der Zukunft gelten u. a. Magnesium-Ionen-Batterien oder Natrium-Ionen-Batterien. Dass diese Prinzipien funktionieren und preislich attraktiv sein können, weiß man bereits. Es gibt aber noch viel Entwicklungspotenzial. Ähnliches gilt für neue Cobalt-freie Batterien, bei denen alternative Materialien als Hauptbestandteil der Elektroden eingesetzt werden.

Das von Katja Fröhlich geleitete Forschungsfeld „Sustainable and Smart Battery Manufacturing“ beschäftigt sich v.a. mit Herstellungsmethoden für moderne Batterien – also mit dem Schritt vom Labor hinaus in die industrielle Fertigung. Ein zentraler Schwerpunkt dabei ist die nachhaltige Produktion – so will man beispielsweise umweltschädliche Lösemittel durch unbedenkliche Substanzen ersetzen.

Mit einer zukunftsträchtigen Technologie beschäftigt sich der dritte Forschungsbereich „Solid State Batteries“, dem Marcus Jahn vorsteht. Unter Feststoffbatterien versteht man Akkus, die keine flüssigen Elektrolyte (brennbar) enthalten und daher sicherer und langlebiger sind. Man kennt bereits eine Reihe von geeigneten Materialien – etwa Polymere, Keramiken und Gläser oder Sulfid-basierte Substanzen –, die jeweils Vor- und Nachteile haben. In einem neuen Solid-State-Battery-Labor am AIT werden nun entsprechende Herstellungsmethoden für Feststoffbatterien entwickelt.

Intelligente Batterien für neue Anwendungsfelder

Ein zunehmend wichtiges Kapitel ist die Konstruktion von sogenannten „Smart Cells“. Das sind Batteriezellen und -module, die mit Sensoren ausgestattet sind, die deren Gesundheitszustand überwachen. Dadurch lassen sich wichtige Informationen zum Batteriemanagement gewinnen, um die Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Sicherheit zu erhöhen.
Überdies betreten die AIT-ForscherInnen bei einem völlig neuen Anwendungsfeld für Batterien Neuland: Gearbeitet wird an Elektroantrieben für Flugzeuge, um diese klimafreundlicher zu machen. Da beim Fliegen das Gewicht eine zentrale Rolle spielt, forscht man beispielsweise an Batterien, die z.B. in Tragflächen integriert werden.

Ganzheitliche Sichtweise auf die Mobilität der Zukunft

Eingebettet ist die Weiterentwicklung von Batterien in ein ganzes Bündel von Forschungsaktivitäten des Centers for Low-Emission Transport: Neben den Technologien für Elektrofahrzeuge im engeren Sinne sind das insbesondere die Gewichtsreduktion durch Leichtbau (Aluminium- und Magnesiumlegierungen, Design etc.), die Entwicklung ressourceneffizienter Produktionsverfahren für Werkstoffe und Fahrzeugkomponenten sowie die Forschung für eine resiliente und sichere Transportinfrastruktur, um damit auch in diesem Bereich zu einer Verringerung von negativen Umweltauswirkungen beizutragen.

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