Elektrische Energiespeicher

Die Anforderungen an künftige Batterien sind je nach Anwendung und Einsatzprofil enorm: z.B. arbeiten Autobatterien bei Umgebungstemperaturen von minus 30 °C bis plus 60 °C mit einer Lebensdauer von mehr als 10 Jahren, bei hoher Zyklenfestigkeit, schnellladefähig und unter allen Bedingungen absolut sicher.

• Auswahl und Kombination der Materialien für Kathoden, Anoden und Elektrolyte bestimmen die Eigenschaften der Zellen wie Energie- und Leistungsdichte, Kosten, Lebensdauer sowie Sicherheit.
• Bis 2020 sind Systemkosten für die Serienproduktion von weniger als 150 €/kWh auf Batteriepackebene realistisch. Um dieses Ziel zu erreichen, bedarf es neben kostengünstigen Materialien einer verbesserten Batteriesystemtechnik mit optimiertem Modul- und Systemdesign, Batteriemanagementsystemen mit optimierten Algorithmen zur Ladezustands- und Alterungsbestimmung sowie optimierter Lade- und Betriebsführungsstrategien, Wärmemanagement und Sicherheitsüberwachung für alle denkbaren Betriebszustände und Fehlerfälle.
• Entwicklung von Prüfstandards und -einrichtungen, mit denen Batterien von der Zelle bis zum kompletten Batteriesystem hinsichtlich Sicherheit und Betriebsverhalten überprüft werden können.
• Für die Durchsetzung am Markt spielt auch die Recylingfähigkeit der Systeme eine Rolle.
• Herausforderung für die Forschung ist die Übertragung der bisherigen Lithium-Technologie für Handys und Laptops auf großskalige industrielle Batteriesysteme (einige 10 kWh für Batteriefahrzeuge bis einige 10 MWh für Batteriespeicherwerke). Ziel ist die Erhöhung der Energiedichte durch neue Elektrodenmaterialien. Dabei können Metall-Luft-Systeme (Zn, Li, Metall), Metall-Schwefel-Zellen oder multivalente Systeme wie Mg, Al, Zn eine Steigerung der Energiedichte um Faktor 2–5 im Vergleich zu heutigen Lithium-Ionen-Zellen ermöglichen (> 240 Wh/kg).
• Die absehbare Ressourcenproblematik bei einigen Batteriekomponenten macht die Erforschung und Entwicklung auch von Alternativsystemen auf der Basis nachhaltiger Materialien erforderlich (z.B. Na-, Mg-, Zn- und Al-Batterien).
• Festkörper-Batterien, bei denen eine Lithium-Ionen-leitende Keramik den flüssigen, organischen Elektrolyten ersetzt. Die Batterien enthalten damit keine brennbaren organischen Stoffe mehr haben eine höhere chemische Stabilität. Bei geeignetem Design erwartet man auch höhere Energiedichten als bei heutigen Lithium-Ionen-Batterien.
• Entwicklung von intelligenten Ladestationen für Elektroautos und Ertüchtigung der Fahrzeugbatterien für die Rückspeisung von Strom ins Netz
• Sicherheit von elektrischen Speichersystemen unter verschiedenen Betriebsbedingungen sowie bei Fehlbedienung und in Unfallsituationen

• Für Superkondensatoren werden sowohl neue Systeme auf der Basis von NanoMaterialien entwickelt als auch Bauelemente für spezielle Anwendungen. Für reine Doppelschichtkondensatoren werden vor allem amorphe Kohlenstoffmaterialien eingesetzt. Dieser Materialtyp eignet sich aufgrund der exzellenten Einstellbarkeit wesentlicher Kenngrößen, wie Porosität, Porengröße, Oberfläche und Leitfähigkeit, über mehrere Zehnerpotenzen und der hohen chemischen Reinheit hervorragend als Modellmaterial.
• Synthese und Untersuchung neuer Hybridmaterialien für Superkondensatoren, die auf mikroskopischer Ebene sowohl Batterie- als auch Kondensatoreigenschaften zeigen.

Redox-Flow-Batterien sind elektrochemische Energiewandler mit flüssigen, pumpfähigen aktiven Speichermedien. Leistung und Energiespeicherkapazität sind dadurch unabhängig voneinander skalierbar. Anwendung finden sie als hocheffiziente Speicher vor allem im stationären Bereich zum Lastausgleich bei schwankenden Energiequellen wie Wind und Sonne.

• Optimierung der eingesetzten elektrochemisch aktiven Materialien
• Optimierung des Elektrolyten
• Optimierte Stack- und Anlagendesigns für die zweistellige kW-Klasse und Multi-Stack-Ansätze insbesondere für größere Anlagen
• Optimierte Betriebsführungsstrategien z.B. zur Erhöhung des Systemwirkungsgrades sowie zur Erhöhung des nutzbaren SOC-Bereichs