POLiS

Forschungsfoto Kalander

Batterien sind eine der Schlüsseltechnologien der nächsten Jahrzehnte. Lithium-Ionen-Batterien haben nicht nur der Revolution der Unterhaltungselektronik den Weg bereitet, sie sind auch dabei, den elektrisch betriebenen Transport zu ermöglichen. Zudem tragen sie wesentlich zur Energiewende bei, indem sie die elektrische Energie für die effiziente Nutzung erneuerbarer Energien wie Solar- oder Windenergie zwischenspeichern.

Lithium-Ionen-Batterien sind im Moment die beste Batterie-Option, da sie hohe Spannungen und damit hohe Energiedichten bieten. Die darin verwendeten Batteriechemikalien sind jedoch mittel- und langfristig nicht nachhaltig. Die Gewinnung der Bestandteile, wie Kobalt, Graphit und Lithium bergen poli­tische, ökologische und wirtschaft­liche Risiken. Die Europäische Kommission befürchtet aufgrund von Ressourcenknappheit und der unsicheren politischen Situ­ation einiger Länder mit großen Vorkommen Versor­gungsengpässe. Darüber hinaus findet der Abbau von Kobalt in vielen Fällen unter menschenunwürdigen Bedingungen statt und ist mit hohen Umweltauswirkungen verbunden.

Der Exzellenzcluster POLiS entwickelt die erforderlichen neuen Batteriematerialien und Technologiekonzepte für eine leistungsfähige und nachhaltige Speicherung elektrischer Energie. Wir haben nachhaltige Alternativen identifiziert, die nicht mehr auf Lithium sowie die weiteren kritischen Materialien angewiesen sind: Wir erforschen Batterien auf Basis von Natrium, Magnesium, Calcium, Aluminium und Chlorid-Ionen. Diese sogenannten Post-Lithium-Batterien haben das Potenzial, mehr Energie zu speichern, sicherer zu sein und bieten eine kostengünstigere, langfristige Option für Massenanwendungen wie stationäre und mobile elektrochemische Speicher.

Mit diesem Konzept haben sich das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Universität Ulm, das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) und die Universität Gießen in der Exzellenzstrategie von Bund und Ländern - als einziger deutscher Exzellenzcluster für die Batterieforschung - durchgesetzt. POLiS wird mit 47 Mio. Euro über sieben Jahre gefördert.

Die Geschichte von POLiS

Synergien der Karlsruher und Ulmer Batterieforschung

Die Zusammenarbeit zwischen der Universität Ulm und der Universität Karlsruhe reicht bis in die 1980er Jahre zurück, wo mehrere Forschungsgruppen an verschiedenen Aspekten der Elektrochemie arbeiteten. Mehr als 20 Jahre später verfolgte Deutschland das Ziel, international eine bedeutende Rolle in der Forschung und Entwicklung moderner Batterien zu spielen, und die Elektrochemie - ein Thema, das lange Zeit ruhte - erlangte wieder große Aufmerksamkeit.

Motiviert durch diese Umstände traf sich im Frühjahr 2010 eine Gruppe von Wissenschaftlern aus Ulm und Karlsruhe unter der Leitung von Horst Hahn vom Institut für Nanotechnologie des KIT in der landschaftlich reizvollen Reisensburg, um Struktur und Inhalt einer neuen und gemeinsamen Arbeit auf dem Gebiet der elektrochemischen Energiespeicherung zu diskutieren. Im September 2010 wurde ein Antrag an die Helmholtz-Gemeinschaft deutscher Forschungszentren gestellt, der die Gründung eines neuen Instituts zum Ziel hatte. Der Antrag wurde von einer internationalen Gutachterkommission bewertet und im November 2010 bewilligt.

Bereits im Januar 2011 wurde das Helmholtz-Institut Ulm für Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) gegründet. Das Institut wird vom KIT als juristische Person getragen, mit der Universität Ulm als Partner und dem ZSW Ulm und dem DLR als assoziierte Partner. In den folgenden Jahren hat das HIU die Zusammenarbeit zwischen den Partnern aktiv vorangetrieben und gestärkt und Forscher aus aller Welt angezogen, die auf dem Gebiet der elektrochemischen Energiespeicherung an vorderster Front mitarbeiten wollten.

Aufbauend auf der erfolgreichen Arbeit und Zusammenarbeit innerhalb des HIU wurde im Frühjahr 2016 ein erster Vorschlag für einen gemeinsamen Antrag an die Gremien von KIT und Universität Ulm geschickt, mit dem Ziel, sich an der neuen deutschen Exzellenzstrategie zu beteiligen und einen Exzellenzcluster zum Thema "Energiespeicherung jenseits von Lithium" zu beantragen. Die Idee wurde ausgewählt und schließlich im Februar 2017 als einer der ersten Stufenanträge eingereicht.  Neben KIT und UUlm waren auch das ZSW Ulm und die Justus-Liebig-Universität in Gießen Partner im Konsortium. Unser gemeinsamer Antrag "Energiespeicherung jenseits von Lithium" wurde im September 2017 von den Gutachtern der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) bewilligt, und wir sind als einziges rein batteriebezogenes Konsortium in die zweite Stufe vorgedrungen.

In den folgenden Monaten galt es, die Hauptstruktur der Arbeit aufzubauen, die Ziele und Ansprüche mit Leben zu füllen und dann im Februar 2018 die endgültige Version von ca. 200 Seiten einzureichen. Bald darauf, im April 2018, wurde das Konsortium eingeladen, den Antrag vor 20 von der DFG ausgewählten internationalen Gutachtern zu verteidigen. Unser Antrag und unsere Präsentation konnten die Gutachterinnen und Gutachter überzeugen, so dass die Aktivität zu denjenigen gehörte, die in der Endrunde auf "grün" gesetzt wurden. Die endgültige Entscheidung fiel am 28. September 2018, und der Exzellenzcluster Post-Lithium-Speicherung (POLiS) wurde unter 58 weiteren Anträgen in Deutschland ausgewählt, um ab dem 1. Januar 2019 ca. 100 Forscherinnen und Forscher über 7 Jahre zu fördern.

POLiS ist zudem in das 2018 von KIT, Universität Ulm und ZSW gegründete Center for Electrochemical Energy Storage Ulm und Karlsruhe (CELEST) eingebettet. CELEST forscht in allen Bereichen der elektrochemischen Energiespeicherung und deckt von der Grundlagenforschung bis zum Technologietransfer die gesamte Forschungs- und Entwicklungskette ab. Mit 31 Instituten und 46 Arbeitsgruppen seiner drei Partner stellt CELEST eine der größten Forschungsplattformen zu dieser Thematik weltweit dar.

Partner

Karlsruher Institut für Technologie

Das KIT verbindet auf einzigartige Weise die Traditionen einer renommierten technischen Universität und einer bedeutenden Großforschungseinrichtung. Dabei sieht sich das KIT in der Verantwortung, durch Forschung und Lehre Beiträge zur nachhaltigen Lösung großer Aufgaben von Gesellschaft, Wirtschaft und Umwelt zu leisten. Dazu setzt das KIT seine finanziellen und personellen Ressourcen mit bestmöglicher Wirksamkeit ein. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT kommunizieren Inhalte und Ergebnisse ihrer Arbeit in die Gesellschaft.

Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften sowie Geistes- und Sozialwissenschaften bilden den Fächerkanon des KIT. Mit hoher interdisziplinärer Wechselwirkung erschließen sie Themenstellungen von den Grundlagen bis zur Anwendung, von der Entwicklung neuer Technologien bis zur Reflexion des Verhältnisses von Mensch und Technik. Um dies bestmöglich zu erreichen, erstreckt sich die Forschung am KIT über die gesamte Bandbreite: von der  Grundlagenforschung bis zu industrienaher, angewandter Forschung, von kleinen Forschungsvorhaben bis zu langfristigen Großforschungsprojekten. Dabei sind wissenschaftliche Redlichkeit und Streben nach Exzellenz Grundlage des Handelns.

Weltweiter Austausch, internationale Großforschungsvorhaben, zahlreiche globale Kooperationen sowie kulturelle Vielfalt prägen und bereichern das Leben und Arbeiten am KIT. Markenzeichen der akademischen Ausbildung am KIT ist das Prinzip der forschungsorientierten Lehre. Der frühzeitige Kontakt mit interdisziplinären Forschungsprojekten, die Einbindung in internationale Teams sowie die Nutzung einmaliger Forschungsanlagen eröffnen den Studierenden besondere Entfaltungs- und Entwicklungsperspektiven.

Die Entwicklung zukunftsweisender Technologien und deren Nutzung in Wirtschaft und Gesellschaft zählt zu den Grundpfeilern des KIT. Innovationsorientierung und Gründungskultur fördert das KIT auf vielfältige Weise. Gleichzeitig unterstützt das KIT eine Kultur der Kreativität, in der Beschäftigte und Studierende Zeit und Raum haben, um neue Ideen zu entwickeln.

Universität Ulm

Die Universität Ulm wurde 1967 gegründet. Ein attraktives zukunftsträchtiges Fächerangebot, eine hohe Ausbildungsqualität, Internationalität, Interdisziplinarität und innovative Forschung auf höchstem Niveau sind heute die Markenzeichen der Universität Ulm.

Die Universität Ulm wird im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder in der Batterieforschung gefördert.

Mehr als 10 000 Studentinnen und Studenten werden in 4 Fakultäten mit großem Engagement betreut. Die Fakultäten Medizin, Naturwissenschaften, Mathematik und Wirtschaftswissenschaften sowie Ingenieurwissenschaften, Informatik und Psychologie bieten über 60 Studiengänge, darunter auch  englischsprachige Studiengänge, an. Die Lehre hat einen hohen Stellenwert an der Universität Ulm. Die Qualitätsansprüche und Ziele sind im Leitbild Lehre verankert. Im internationalen Bereich zeichnet sich die Universität Ulm durch eine besonders intensive Betreuung ausländischer Studierender aus. 

Wissenschaftliche Weiterbildung bedient den berufsbegleitenden Qualifikationsbedarf. Modularisierte Masterstudiengänge vermitteln fachliche Fähigkeiten sowie Management-Knowhow, Forschungsexpertise und Führungskompetenz. Ihr didaktisches Konzept beruht auf aktuellen Erkenntnissen der Lehr-Lernforschung.

Die Universität Ulm ist eine Campus-Universität „im Grünen“ und Teil einer wirtschaftsstarken dynamischen Region. Sie ist wichtige Impulsgeberin der Wissenschaftsstadt Ulm und Partnerin in zahlreichen Kooperationen mit Industrie, Wirtschaft und anderen Einrichtungen, regional, national und international.

Die Universität Ulm widmet sich 12 strategischen Forschungsthemen, die meisten davon werden interdisziplinär betrieben. Wichtige Forschungsgebiete sind die Lebenswissenschaften und Medizin, Bio-, Nano- und Energiematerialien, Finanzdienstleistungen und ihre mathematischen Methoden sowie Informations-, Kommunikations- und Quanten-Technologien.

Assoziierte Partner

Universität Gießen

Die 1607 gegründete Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) ist eine traditionsreiche Forschungsuniversität, die über 28.000 Studierende anzieht. Neben einem breiten Lehrangebot – von den klassischen Naturwissenschaften über Rechts- und Wirtschaftswissenschaften, Gesellschafts- und Erziehungswissenschaften bis hin zu Sprach- und Kulturwissenschaften – bietet sie ein lebenswissenschaftliches Fächerspektrum, das nicht nur in Hessen einmalig ist: Human- und Veterinärmedizin, Agrar-, Umwelt- und Ernährungswissenschaften sowie Lebensmittelchemie. Unter den großen Persönlichkeiten, die an der JLU geforscht und gelehrt haben, befindet sich eine Reihe von Nobelpreisträgern, unter anderem Wilhelm Conrad Röntgen (Nobelpreis für Physik 1901) und Wangari Maathai (Friedensnobelpreis 2004).

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

Das Land Baden-Württemberg gründete 1988 zusammen mit Universitäten, Forschungseinrichtungen und Unternehmen das ZSW als gemeinnützige Stiftung des bürgerlichen Rechts.

 Sonnenenergie- und Wasserstoff-Technologien wachsen derzeit im industriellen Maßstab zu Bausteinen einer nachhaltigen Energieversorgung des 21. Jahrhunderts heran. Daraus leiten sich die folgenden Ziele und Schwerpunkte ab.

Ziele der Arbeit des ZSW sind:
  • Forschung und Entwicklung für Technologien zur nachhaltigen und klimafreundlichen Bereitstellung von Strom, Wärme und regenerativen Kraftstoffen
  • Umsetzung von FuE-Ergebnissen in markttaugliche Produkte (Technologietransfer)
  • Beratung von politischen Entscheidungsträgern und Fachverbänden

Heute ist das ZSW mit rund 230 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern plus 90 studentischen und wissenschaftlichen Hilfskräften als eines der führenden europäischen Energieforschungsinstitute etabliert. Joint-Ventures und der wachsende Anteil von Industrieaufträgen demonstrieren die konsequente Anwendungsnähe.

 

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