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Erfinden der nachhaltigen Batterien der Zukunft

Die europäische groß angelegte Forschungsinitiative BATTERY 2030+ stellt die langfristige Forschungs-Roadmap vor, die die Maßnahmen umreißt, die erforderlich sind, um die nachhaltigen Batterien der Zukunft zu erfinden. POLiS Mitglieder, allen voran Sprecher Maximilian Fichtner sowie Geschäftsführer Christian Punckt, haben die Roadmap maßgeblich mitentwickelt. Die Post-Lithium Batterie-Themen des Clusters sind dadurch in der Roadmap fest verankert.

Der Wandel zu einer klimaneutralen Gesellschaft erfordert grundlegende Veränderungen in der Art und Weise, wie wir Energie erzeugen und nutzen. Batterien sind ein Schlüsselfaktor, um dieses Ziel zu erreichen, wenn es gelingt, sie nachhaltig, sicher und erschwinglich zu machen und gleichzeitig eine extrem hohe Leistung zu erzielen.

Der Forschungsfahrplan der Initiative wurde im Rahmen eines europaweiten Anhörungsprozesses entwickelt und identifiziert drei Hauptforschungsrichtungen, die auf einem chemieneutralen Ansatz basieren und die Entwicklung der nächsten Batteriegeneration beschleunigen werden.

"Bei BATTERY 2030+ geht es nicht um die Entwicklung einer spezifischen Batteriechemie, sondern um die Nutzung der Möglichkeiten digitaler Technologien wie der künstlichen Intelligenz, um den Entdeckungs- und Entwicklungsprozess unserer zukünftigen intelligenten und vernetzten Batterien zu transformieren. Mit BATTERY 2030+ treten Batteriedesign und -entwicklung in das digitale Zeitalter ein", sagt Kristina Edström, Direktorin von BATTERY 2030+ und Professorin für Anorganische Chemie an der Universität Uppsala.

Die Entwicklung bahnbrechender Technologien wird immense multidisziplinäre und sektorübergreifende Forschungsanstrengungen und -ansätze erfordern. Europa hat das Potenzial, dank florierender Forschungs- und Innovationsgemeinschaften die Führung zu übernehmen.

"Um die Batterien der Zukunft in Europa zu erfinden, müssen wir unsere Kräfte bündeln und einen koordinierten, kooperativen Ansatz finden, der Industrie, Forscher, politische Entscheidungsträger und die Öffentlichkeit hinter einer gemeinsamen Vision vereint, die im vor einem Jahr veröffentlichten Batteriemanifest dargelegt wurde", sagt Simon Perraud, stellvertretender Direktor von BATTERY 2030+ und stellvertretender Direktor bei CEA-Liten.

Die drei wichtigsten Forschungsthemen, die in der Roadmap genannt werden, sind

  • Beschleunigte Entdeckung von Grenzflächen und Materialien
  • Integration intelligenter Funktionalitäten
  • Herstellbarkeit und Recyclingfähigkeit als Querschnittsbereich

Thema I: Beschleunigte Entdeckung von Grenzflächen und Materialien  
BATTERY 2030+ wird eine Materialbeschleunigungsplattform (MAP) aufbauen, die die Art und Weise neu definieren wird, wie wir heute Batterie-Materialforschung betreiben. Dies wird durch die Kombination leistungsfähiger Ansätze erreicht, die von der Hochdurchsatzsynthese und -charakterisierung über die Materialberechnung, die automatisierte Datenanalyse und das Data Mining bis hin zur künstlichen Intelligenz reichen.
Aufbauend auf der Materialbeschleunigungsplattform wird BATTERY 2030+ ein Batterie-Schnittstellengenom (BIG) entwickeln, das eine neue Grundlage für unser Verständnis der Prozesse schaffen wird, die das Funktionieren jeder Batterie steuern. Das Verständnis und die Anpassung der Mechanismen, die darüber entscheiden, ob Batterien sicher sind und eine lange Lebensdauer haben, ist der Schlüssel zur Erfindung der Batterie der Zukunft.

Thema II: Integration intelligenter Funktionalitäten
Selbst die beste Batterie wird irgendwann versagen. 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 der Batterie aus. Deshalb müssen wir neue Wege finden, um den Ausfall von Batterien zu verhindern.

Sensoren: In der Batterie der Zukunft werden wir chemische und elektrochemische Reaktionen direkt in einer Batteriezelle verfolgen. Es werden neue Sensorkonzepte entstehen, die frühe Stadien des Batterieversagens und unerwünschte Nebenreaktionen, die zu einer frühen Batteriealterung führen, entdecken können.
Selbstheilung: Clevere Methoden zur Heilung von Schäden im Inneren einer Batterie, die sonst zu einem Batterieversagen führen würden, können Batterien sicherer, zuverlässiger und nachhaltiger machen. Dies wird zu einer wichtigen Eigenschaft von Batterien der Zukunft werden.

Thema III: Querschnittsbereiche
Die Herstellbarkeit und Recyclingfähigkeit von Batterien sind daher wichtige Querschnittsbereiche, die sich parallel zu den Themen I und II entwickeln werden. Das neue Wissen und die Ideen zur Herstellung und zum Recycling der Batterien werden von Anfang an in den Prozess der Materialfindung und -entwicklung einfließen.

 

Download der BATTERY 2030+ Roadmap  “Inventing the Sustainable Batteries of the Future”.
Für Fragen: Prof. Dr. Maximilian Fichtner, +49 (0)731 50 34201, m.fichtner@kit.edu

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