Elektrochemische Energiespeicherung

Kurz und bündig

Im Topic „Elektrochemische Energiespeicherung“ widmen sich die Jülicher Forschenden kompakten und hocheffizienten Batteriesystemen für den stationären Einsatz und für eine nachhaltige Elektromobilität.

Dazu erforschen sie neue Materialien und Technologien sowie innovative Prozesse für die kostengünstige und umweltschonende Produktion von Batteriezellen. Flankiert werden die praktischen Arbeiten von theoretischer Physik, Computersimulationen, physikalischen Modellierungen und KI-Anwendungen, um zu untersuchen, wie Energiematerialien entstehen, funktionieren, altern und versagen. Auf dieser Basis lassen sich bewährte Lithium-Ionen-Batteriekonzepte verbessern und eine neue Generation von Energiespeichern jenseits von Lithium entwickeln.

Herausforderungen

Mit steigendem Anteil der erneuerbaren Energien wird die Stromerzeugung weniger planbar. Überschüsse aus Wind- und Solarenergie müssen gespeichert werden, um Wind- und Sonnenflauten zu überbrücken und das Stromnetz stabil zu halten. Auch der Mobilitätssektor muss sich ändern: um hier die Treibhausgasemissionen drastisch zu senken, braucht es eine weitreichende Elektrifizierung der Flotten mit Energie aus erneuerbaren Quellen.

Lösungen

Eine Lösung sind Batterien. Sie speichern den regenerativ erzeugten Strom effizient und bei der Rückverstromung erhält man 80 bis 90 Prozent der ursprünglichen Energie zurück. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien verfügen über eine hohe Energiedichte und eine lange Lebensdauer.

Sie haben jedoch bekannte Nachteile: Die verwendeten Rohstoffe wie Lithium, Kobalt und Nickel sind knapp und ihre Gewinnung belastet die Umwelt. Lithium-Ionen-Batterien können zudem überhitzen und in extremen Fällen Feuer fangen. Mit der Zeit, und durch wiederholte Lade- und Entladezyklen, verlieren Lithium-Ionen-Batterien an Kapazität, was ihre effektive Lebensdauer verkürzt. Zudem ist ihr Recycling technisch herausfordernd und kostspielig.

Jülicher Forschende arbeiten daran, die Einschränkungen von Lithium-Ionen-Batterien zu überwinden. Hierfür entwickeln sie beispielsweise feste keramischen Elektrolyte, die Lithium-Batterien robust und sicher machen. Zudem setzen sie auf alternative Konzepte der nächsten Generation, wie Festkörper-, Natrium-Ionen-, Redox-Flow- oder Metall-Luft-Batterien und andere innovative Ansätze. Darüber hinaus setzen sie Maschinelles Lernen und KI ein, um das Materialdesign zu verbessern oder neuartige Konzepte für ein schnelles Laden und auch ein bidirektionales Laden zu erproben.

Die in Jülich entwickelten Hochleistungsbatterien haben verschiedene Einsatzgebiete: In der Elektromobilität könnten sie eine Alternative zu Batterien mit immer höherer Energiedichte bieten. Die Elektroautos hätten dann zwar vielleicht nur eine Reichweite von 300 Kilometern, wären aber in unter 10 Minuten wieder aufgeladen. Darüber hinaus sind sie für viele Anwendungen zur Lastverteilung im stationären Betrieb erforderlich, etwa für die unterbrechungsfreie Stromversorgung.

Viele Rohstoffe in herkömmlichen Batterien, wie Kobalt, Nickel, Graphit und Lithium, müssen importiert werden und haben eine kritische Umweltbilanz. Jülicher Forschende kümmern sich um neue Recyclingverfahren, damit diese Rohstoffe möglichst lange im Wertstoffkreislauf bleiben. Eine Wiederverwertung dieser Materialien, so belegt es eine Jülicher Studie, senkt die Kosten im Hinblick auf die gesamte Wertschöpfungskette um 45 Prozent bei einer Reduktion der CO2-Emissionen um 35 Prozent. Unter dem Aspekt der Rohstoffknappheit hat auch die Forschung an Natrium-Schwefel-Batterien wieder an Bedeutung gewonnen. Natrium ist in großen Mengen vorhanden und umweltschonender zu gewinnen als das verwandte Lithium.