Um zu lernen, wie sich bestimmte Materialien verhalten und wie sie eingesetzt werden müssen, um bestimmte Eigenschaften hervorzurufen, soll mit Battery 2030+ zunächst eine weltweit einzigartige Hochdurchsatzanlage (MAP, Materials Acceleration Platform) aufgebaut werden. Die Kombination von automatisierter Synthese, Charakterisierung und Materialmodellierung sowie Data-Mining-Techniken und KI in der Versuchsauswertung und -planung soll die Entwicklung von neuen Batteriematerialien entscheidend beschleunigen. Aufbauend auf dieser gemeinsamen Plattform wird sich Battery 2030+ an die Analyse der Eigenschaften von Materialschnittstellen machen, etwa der Schnittstelle zwischen Elektrode und Elektrolyt oder zwischen aktivem Material und unterschiedlichen Zusätzen. Dieses „Schnittstellengenom“ (BIG, Battery Interface Genome) soll den Forscherinnen und Forschern dabei helfen, vielversprechende Ansätze für neue, hochleistungsfähige Batterien zu entwickeln.

Intelligente Funktionalitäten und ein nachhaltiger Entwicklungsprozess
Externe Faktoren wie extreme Temperaturen, mechanische Beanspruchung, übermässige Leistung während des Betriebs oder einfach nur die Alterung im Laufe der Zeit wirken sich nachteilig auf die Leistung einer Batterie aus. Die Forscherinnen und Forscher von Battery 2030+ haben sich deshalb vorgenommen, gemeinsam intelligente und vernetzte Sensorkonzepte zu entwickeln, die zukünftig chemische und elektrochemische Reaktionen direkt in der Batteriezelle beobachten sollen. Sie könnten frühe Stadien des Batterieversagens oder unerwünschte Nebenreaktionen entdecken, die zur Batteriealterung führen. Ausserdem sollen die Batterien der nächsten Generation mit „Selbstheilungskräften“ ausgestattet werden: Schäden im Inneren einer Batterie, die sonst zu einem Batterieversagen führen, können durch geschickten Materialeinsatz ausgeglichen werden. Durch Sensoren und Selbstheilung sollen die Batterien zukünftig noch zuverlässiger und ausdauernder werden. So werden auch gebrauchte Zellen von hoher Qualität für einen zweiten Einsatz attraktiv. Ausserdem verfolgt Battery 2030+ bereits bei der Entwicklung das Ziel einer möglichst grossen Nachhaltigkeit. Parameter wie ressourcensparende Herstellbarkeit, die Recyclingfähigkeit, kritische Rohstoffe und Toxizität fliessen direkt in die Algorithmen der MAP-basierten Entwicklung neuer Batteriekonzepte ein.

Forschungsinitiative Battery 2030+
Leistungsstarke Batteriespeicher, die gleichzeitig nachhaltig, sicher und günstig sind, sind das Ziel der europäischen Forschungsinitiative Battery 2030+. Nun haben die beteiligten Forschungsinstitutionen und Unternehmen eine Roadmap veröffentlicht, die sowohl die Eigenschaften der Batterien der Zukunft definiert, als auch Massnahmen zur Beschleunigung der Entwicklung aufführt. Dabei werden drei Hauptforschungsrichtungen identifiziert: „Wir wollen die Suche nach neuen Materialien und dem richtigen Materialmix beschleunigen, neuartige Funktionen auf den Weg bringen sowie Herstellungs- und Recyclingkonzepte etablieren“, sagt Professor Maximilian Fichtner, Leiter der Abteilung Energiematerialien am Institut für Nanotechnologie des KIT, Stellvertretender Direktor am Helmholtz-Institut Ulm und wissenschaftlicher Sprecher des Zentrums für Elektrochemische Energiespeicherung Ulm-Karlsruhe (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe, kurz Celest). „Mit Battery 2030+ bringen wir nun die Expertise auf den jeweiligen Teilgebieten in ganz Europa zusammen und arbeiten koordiniert. So haben wir die Chance, in der Batterieentwicklung weltweit vorne mitzumischen, auch im Wettbewerb mit den USA und Asien.“

Die ersten Vorhaben aus der Roadmap für Battery 2030+ wurden von der EU bereits bewilligt und können nun starten. Celest ist dabei entscheidender Akteur im Projekt zur beschleunigten Materialentwicklung, Modellierung und Datenauswertung mittels KI sowie der damit verbundenen autonomen Robotik.

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Text: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)