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Lithium-Ionen-Technologie –die Batterie der Zukunft#


von


Stefan Koller

Institut für Chemische Technologie von Materialien

Stefan Koller
Stefan Koller


Stefan Koller ist Universitätsassistent am Institut für Chemische Technologie von Materialien. Er ist einer der Scientific Group Leader im European Research Institute for Advanced Lithium Energy Storage Systems und Geschäftsführer der Varta Micro Innovation GmbH. Seine Forschungsschwerpunkte liegen in der Angewandten Elektrochemie im Speziellen jene von elektrochemischen Energiespeichern.
© Forschungsjournal 2009/02



Der schier unaufhaltsam wachsende Funktionsumfang mobiler Elektronikgeräte stellt auch an die Energieversorgung enorme Anforderungen. Hier haben sich in den letzten Jahren Lithium-Ionen-Batterien als das vorherrschende System etabliert und sollen nun auch die Möglichkeit einer emissionsfreien Mobilität eröffnen. Ihre Weiterentwicklung stellt das zentrale Tätigkeitsfeld der Lithium Power Group am Institut für Chemische Technologie von Materialien dar.


Mit dem Startschuss der großen Automobilkonzerne zur Elektrifizierung des Antriebsstranges wächst auch das Verlangen nach leistungsfähigeren elektrochemischen Energiespeichern. Doch nicht nur die Automobilindustrie benötigt leistungsfähigere Akkus. Im Bereich der mobilen Consumer-Elektronics werden die Fortschritte der letzten Jahre durch den gestiegenen Energiebedarf der Geräte kompensiert, sodass die Verdopplung der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien seit deren Kommerzialisierung (1991, Sony) sich nur unmerklich in längeren Betriebszeiten manifestiert.


Die Lithium Power Group am Institut für Chemische Technologie von Materialien hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Vision von effizienten und leistungsfähigen Energiespeichern zu verwirklichen und konnte sich auch nach dem Abgang von Martin Winter (Berufung nach Münster) erfreulich positiv weiterentwickeln. Dadurch wurde nahezu nahtlos an die Erfolge und Themenbereiche angeknüpft.


Aufnahme Silzium/Graphit-Kompositmaterial
Rasterelektronenmikroskop: Aufnahme des neuen Silzium/Graphit-Kompositmaterials, das im Zuge des EU-Projektes entwickelt und zum Patent angemeldet wurde. Es weist die doppelte Lithium-Ionen-Speicherfähigkeit auf wie der kommerziell verwendete Graphit
© Forschungsjournal 2009/02 / © TU Graz/Institut für Chemische Technologie von Materialien

Lithium-Ionen-Batterien stellen heute die fortschrittlichste Technologie dar, Energie elektrochemisch zu speichern und bieten zudem durch die große Diversität der einsetzbaren Materialien nicht nur die Möglichkeit, die Batterie für die jeweilige Anwendung maßzuschneidern, sondern auch ein enormes Potential zur Weiterentwicklung.

Dies zeigt sich auch in dem von der Europäischen Kommission im Jahr 2001 veröffentlichten Diskussionspapier "Future Needs and Challenges für Non- Nuclear Energy Research in the European Union", das die Lithium-Ionen-Technologie als Schlüsseltechnologie zur Energiespeicherung ausweist.





Testzellen
Aufgrund der Sicherheitsrisiken, die beim Test von Prototypmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien bestehen, werden diese in speziell entwickelten Testzellen geprüft. Diese bestehen aus massiven Edelstahl, sie sind bis zu Druck von zehn bar gasdicht und garantieren somit die Sicherheit bei den Tests.
© Forschungsjournal 2009/02 / © TU Graz/Institut für Chemische Technologie von Materialien
Den Schlüssel zur Weiterentwicklung sieht die Lithium Power Group in der anwendungsorientierten Grundlagenforschung sowohl auf Material- als auch auf Zellebene. Dabei stellt die Vernetzung mit Instituten innerhalb der TU Graz, aber auch die Kooperation mit namhaften Industriebetrieben im In- und Ausland, mit Kompetenzzentren wie dem K2-Mobility, sowie mit anderen Universitäten, einen zentralen Faktor für den Erfolg dar. So ist es im Rahmen eines EU-Projektes gemeinsam mit dem Institut für Anorganische Chemie gelungen, ein neues Speichermaterial für Lithium- Ionen zu entwickeln, das die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien entscheidend verbessert.


Als einer von 15 Partnern des "European Research Institutes for Advanced Lithium Energy Storage Systems" (ALISTORE) ist es gelungen, sich in den Exzellenzcluster für Lithium-Ionen-Batterie-Forschung in Europa zu integrieren und diesen durch die Arealeitung im Bereich der Nanomaterialien für die negative Elektrode auch aktiv mitzugestalten. Projekte im Rahmen des K2-Mobility werden in enger Kooperation der Träger-GesmbH "Virtual Vehicle GmbH" und elektrotechnischen Instituten betrieben. Die besondere Nähe zu Technologieentwicklern wie "Volkswagen" stellt hier einen speziellen strategischen Vorteil dar.


Durch die Vereinigung der beiden chemischen Technologieinstitute und der Bündelung deren Know-hows gelingt es, neue Wege zu beschreiten und so zum Beispiel radikale stabilisierende Polymere als Aktivmaterial für so genannte "Organic Radical Batteries" einzusetzen.


Vor diesem Hintergrund ist aus der langjährigen Partnerschaft der Lithium Power Group zur Firma Varta Microbattery GmbH aus Ellwangen (Deutschland) die Idee eines gemeinsamen Joint Ventures in der Form einer Forschungsgesellschaft für Batterieforschung, der VARTA Micro Innovation GmbH, entstanden.

Batterien
Batterien
© Forschungsjournal 2009/02 / © TU Graz/Institut für Chemische Technologie von Materialien

Durch private Anleger, die sich in Form einer atypisch stillen Gesellschaft beteiligen sowie durch Fördergelder sollen für die erste Forschungsphase innerhalb von fünf Jahren 20 bis 40 Millionen Euro bereitgestellt werden. Die VARTA Micro Innovation GmbH wird mit ihrem Sitz am Standort Graz an den drei wesentlichen Herausforderungen der Lithium-Ionen-Batterietechnologie forschen: Akkus sollen sich schneller und ohne Energieverlust laden lassen, sollen weniger anfällig gegen hohe Temperaturen sein und sollen auf engstem Raum weit mehr Energie speichern als bisher.

Ziel der Forschungsgesellschaft ist es, grundlegende Erfindungen und Entwicklungen zu erarbeiten, somit wertvolle IP´s zu generieren und schließlich aus der Verwertung Rückflüsse für die Anleger und die TU Graz zu erzielen. Eine weitere Stärkung des Batterieforschungsstandortes Graz soll durch die Wiederbesetzung der Professur für Elektrochemische Energiespeicherung und Angewandte Elektrochemie erfolgen. Die Ausschreibung läuft derzeit, wobei die Wiederbesetzung im Jahr 2010 angestrebt wird. In Anbetracht der zurzeit in diesem Themenbereich offenen Positionen in Deutschland und der dort zur Verfügung stehenden Mittel, könnte diese Besetzung noch durchaus eine Herausforderung darstellen.