Mobilität ohne fossile Brennstoffe Promovierende des Graduiertenkollegs GEENI zeigen Verbesserungspotenziale von Batteriesystemen

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des „Graduiertenkollegs Energiespeicher & Elektromobilität Niedersachsen“ (GEENI) haben heute, am 8.12.2015, ihre Ergebnisse und Ideen zur Verbesserungen von Batteriesystemen für die Elektromobilität der Industrie vorgestellt. Sie  diskutierten mit Teilnehmern aus Industrie und Politik, wie Mobilität zukünftig ohne fossile Brennstoffe gewährleistet werden kann.

GEENI wird vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur (MWK) gefördert. Erstmalig bündelt das Graduiertenkolleg die Natur- und Ingenieurwissenschaftlichen Kompetenzen von Instituten aus fünf verschiedenen Hochschulen Niedersachsens, der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) und dem MEET Batterieforschungszentrum der Wilhelms-Universität Münster, um gemeinsam Antworten auf die Frage des Batteriekonzeptes der Zukunft zu finden. Eine zentrale Rolle für GEENI spielten die Battery Labfactory Braunschweig, in der die Elektroden und Kathoden für die zu untersuchenden Batteriezellen hergestellt wurden, und das Niedersächsische Forschungszentrum Fahrzeugtechnik (NFF) der TU Braunschweig, das sich für die Organisation des Graduiertenkollegs verantwortlich zeigte.

Seit 2012 forschen die 30 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vernetzt in Arbeitsgruppen zusammen. Ihr Ziel ist es, die wechselseitigen Abhängigkeiten der Transportprozesse (Ionen-, Elektronen- und Wärmestrom) und des mechanischen Stresses von den eingesetzten Materialien und den Verarbeitungsprozessen aufzuklären. Darauf aufbauend sollen mit neuen Materialien und Fertigungstechnologien substantielle Verbesserungen von Batteriesystemen für die Elektromobilität erreicht werden. „Die Promovierenden wurden projektbegleitend durch hochschulübergreifende Praktika, Seminare und Vorlesungen für die Aufgaben in Industrie und Forschung qualifiziert und vorbereitet“ führt Prof. Arno Kwade, Sprecher des Graduiertenkollegs und der Battery LabFactory Braunschweig, aus. „Über den Stand der Forschung berichteten die Promovierenden halbjährlich auf gemeinsamen Kolloquien, aber auch auf zahlreichen Fachtagungen und internationalen Symposien.“

Langlebigere Batteriezellen

Den Forschern ist es gelungen, eine neue, umweltfreundliche Syntheseroute zur Abscheidung von Metallen auf kohlenstoffbasierten Materialien zu entwickeln. Auf diese Weise konnte die Haftung von Anodenmaterialien auf dem Stromsammler verbessert werden, was zu einer höheren Zyklenstabilität und Kapazität von Lithium-Ionen-Halbzellen führt. In der Praxis können so langlebigere Batteriezellen entstehen.
Mikrobatterien für die Medizintechnik.

In einem weiteren Projekt gelang es, ein Verfahren zur Herstellung von kristallinen LiMn2O4 Dünnschichten mittels Laserablation zu entwickeln. Die so hergestellten Dünnschichten, eignen sich zur Herstellung von „All-Solid-State“ Mikro-Batterien. Diese können zukünftig in Energiespeichern von energieautarken Sensoren oder in medizinischen „Lab on a Chip“-Systemen eingesetzt werden.

Leistungsfähigere Elektroautos

Als weiteres Beispiel ist die Entwicklung eines ganz neuen in-situ Messverfahrens zu nennen. Es ermöglichte den Nachweis einer bisher nicht bekannten Reduzierung der mechanischen Festigkeit des weitverbreiteten Anodenmaterials Graphit bei der schnellen Ladung. Dies kann beim schnellen Laden und Entladen der Batteriezellen langfristig zu einem Leistungsverlust der Batterie im Elektroauto führen. Anhand dieses Messverfahrens gelang es den Forschern auch andere Aktivmaterialien gezielt zu untersuchen und Optimierungsstrategien vorzuschlagen, um eine Performancesteigerung der Batteriezelle und damit der Leistungsfähigkeit des E-Fahrzeugs zu erreichen.

Mikrobatterien für die Medizintechnik

In Niedersachsen gibt es ein breites Umfeld von Firmen, die in der Batterieentwicklung tätig sind und bereits während der Projektlaufzeit in die Forschungsarbeiten eingebunden werden konnten. Als ein Erfolg kann bereits heute die positive Resonanz der Unternehmen gewertet werden, die einige der hoch qualifizierten Doktoranden nach deren ausgezeichneten Abschluss übernommen haben.

Hintergrundinformationen zu GEENI:

GEENI ist ein Promotionsprogramm an der Schnittstelle zwischen Natur- und Ingenieurwissenschaften, das die standortbezogene Doktorandenqualifizierung durch ein standortübergreifendes, interdisziplinär ausgelegtes Qualifizierungsprogramm ergänzt. Untersucht wurden im Rahmen des Graduiertenkollegs GEENI die Wechselwirkungen von Materialentwicklung, Fertigungstechnologien und Leistungsverbesserungen mit dem Fokus, die Vorgänge in Lithium-Ionen-Batterien deutlich zu verbessern. Das niedersächsische Ministerium für Wissenschaft und Kultur (MWK) fördert GEENI mit rund fünf Millionen Euro.

Die Projektkoordination und Antragsstellung erfolgte über das Niedersächsische Forschungszentrum Fahrzeugtechnik (NFF), einem von fünf Forschungszentren der TU Braunschweig. Als interdisziplinäres Zentrum wurde das NFF 2007 mit Unterstützung der Niedersächsischen Landesregierung und der Volkswagen AG gegründet, um die Forschungsregion Braunschweig als Spitzenstandort in der Fahrzeugtechnik mit internationalem Rang zu etablieren. Mit GEENI entstand eine effektive Kooperation für die gemeinsame Forschung von Industrie und Wissenschaft. Beispielhaft für die hervorragende Vernetzung der norddeutschen Forschungslandschaft und der Forschungsregionen ist die  Standortübergreifende Nutzung technischer Einrichtungen, Methoden, Verfahren und Kompetenzen der einzelnen Projektpartner.

Die in GEENI kooperierenden Institute und Forschungseinrichtungen sind auch Mitglied der Forschungsallianz Batterietechnik Norddeutschland (FABENO e.V.), die für den norddeutschen Wissenschaftspreis 2014 nominiert war und zu den drei Finalisten des Wettbewerbs gehörte.

GEENI-Projektpartner

Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
Institut für Reine und Angewandte Chemie

Georg-August-Universität Göttingen
Institut für Materialphysik
Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst
Fakultät Naturwissenschaften und Technik
Leibniz Universität Hannover
Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik
Institut für Physikalische Chemie und Elektrochemie
Institut für Anorganische Chemie

Technische Universität Braunschweig
Institut für Ökologische und Nachhaltige Chemie
Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik
Institut für Partikeltechnik
Institut für Hochspannungstechnik und elektrische Energieanlagen
Institut für Füge- und Schweißtechnik

Technische Universität Clausthal
Institut für Chemische Verfahrenstechnik
Institut für Energieforschung und Physikalische Technologien
Institut für Mechanische Verfahrenstechnik
Instituts für Elektrische Energietechnik

Westfälische Wilhelms-Universität Münster
MEET Batterieforschungs-Zentrum

Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung – IFAM

Kontakt:

Jens Geißmann
Technische Universität Braunschweig
Battery LabFactory Braunschweig
Geschäftsführer Organisation & Kommunikation
Langer Kamp 8
38106 Braunschweig
Tel.:      +49 (0) 531 391 946 58
Email:   j.geissmann@tu-braunschweig.de
Web:    www.tu-braunschweig.de/forschung/zentren/nff/batterylabfactory