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Neue Batteriematerialien werden bisher meist in kleinen Labormengen getestet. Eine neue Pilotlinie in Ulm könnte das ändern und den Weg vom Forschungslabor zur industriellen Produktion deutlich verkürzen. Denn sie ermöglicht die Herstellung von bis zu 100 Kilogramm Material pro Charge.

Die Entwicklung von neuartigen Batteriematerialien stellt oft einen langwierigen Prozess dar. Vor allem der Weg vom Forschungslabor in die industrielle Produktion ist oft lang und aufwändig.

Problematisch ist dabei vor allem die Produktion in größerem Maßstab. Denn viele vielversprechende Materialien lassen sich zwar im Labor in kleinen Mengen herstellen, sind in der Großproduktion dann aber problematisch.

Was bei wenigen Gramm in kleinen Testreihen funktioniert, muss sich nicht unbedingt ohne Weiteres auf mehrere Kilogramm übertragen lassen. Denn dafür müssen Herstellungsprozesse angepasst, Materialeigenschaften konstant gehalten und die Reproduzierbarkeit sichergestellt werden.

Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm will diese Lücke nun schließen. Eine neue Pilotlinie kann dafür Batteriematerialien bis zu 100 Kilogramm pro Charge herstellen.

Bis zu 100 Kilogramm pro Charge: So funktioniert die neue Pilotlinie

Die Pilotlinie „Powder-Up!“ am ZSW in Ulm ermöglicht es, neue Batteriematerialien unter realitätsnahen Bedingungen herzustellen. Dafür können Chargen von bis zu 100 Kilogramm skaliert werden.

Die maximale Kapazität der Pilotlinie liegt bei 100 Kilogramm Material pro Charge. Nach Angaben des ZSW konnten erste Kathodenmaterialien bereits erfolgreich auf Mengen von rund 15 Kilogramm hochskaliert werden.

Das Projekt umfasst mehr als 135 Anlagen und Geräte auf rund 2.400 Quadratmetern Nutzfläche. Hier stehen alle Geräte zur Verfügung, die sämtliche Produktionsschritte von der Materialsynthese bis zur Qualitätssicherung abdecken können.

Im Mittelpunkt der Forschung sollen dabei vor allem neuartige Kathodenmaterialien stehen. Sie bilden den Pluspol einer Batterie und gehören insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien zu den teuersten und ökologisch problematischsten Bestandteilen.

Grund dafür sind unter anderem Bestandteile wie Nickel und Kobalt, die bei ihrer Gewinnung hohe Kosten und Umweltbelastungen verursachen. Ein Schwerpunkt der Ulmer Pilotlinie liegt deshalb auf der Weiterentwicklung sogenannter NMC-Kathodenmaterialien, die aus Nickel, Mangan und Kobalt bestehen. Diese Materialien ermöglichen eine hohe Energiedichte und können so vor allem für Elektroautos mit großer Reichweite interessant sein.

Bessere Verzahnung von Forschung und Industrie

Die neue Pilotlinie soll auch eine stärkere Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie ermöglichen. Unternehmen und Forschungseinrichtungen können die Anlage nutzen, um neue Batteriematerialien gemeinsam zu entwickeln, Herstellungsverfahren zu erproben und deren Eignung für die industrielle Produktion zu überprüfen.

So sollen vielversprechende Forschungsergebnisse schneller in die Praxis überführt und der aufwendige Übergang vom Labormaßstab zur Serienfertigung erleichtert werden. „Mit Powder-Up! können Unternehmen eigene Materialkonzepte industrietauglich validieren, gemeinsam neue Syntheseverfahren entwickeln oder von der digitalen Datenplattform profitieren“, erklärt ZSW-Vorstand Prof. Dr. Markus Hölzle. „Das ZSW ist damit der bundesweite Ansprechpartner für alle, die verbesserte Materialien für Batterien entwickeln und für die Massenproduktion vorbereiten möchten.“

Die Forschung in der neuen Pilotlinie fokussiert sich aktuell mit Lithium-Eisen-Phosphat auf eine zweite Produktklasse für Kathodenmaterialien, bei der bereits Mengen im Kilogrammmaßstab hergestellt werden können. Zusätzlich stehen auch Materialien für Natrium-Ionen-Batterien im Fokus.

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Der Beitrag Solarzellen vergeuden Energie: Neuer Halbleiter soll Ladungsverluste reduzieren erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Dieser neuartige Halbleiter kann Ladungsverluste bei der Gewinnung von Solarenergie um rund 75 Prozent reduzieren. Forscher der University of Oxford könnten mit ihrer Entdeckung den Weg für deutlich effizientere Solarzellen ebnen.

Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um und sind damit ein wichtiger Bestandteil der Energiewende. Doch Photovoltaik-Anlagen können nicht die gesamte Energie, die von der Sonne an sie abgegeben wird, in Strom umwandeln.

Denn bei der Gewinnung von Sonnenenergie geht ein Teil bereits verloren, bevor der erzeugte Strom überhaupt weitergeleitet werden kann. Grund hierfür sind physikalische Prozesse, die bei der Energiegewinnung stattfinden.

Wissenschaftler der University of Oxford wollen dieses Problem mit einem neuen Halbleiter umgehen. Dieser ist laut den Forschungsergebnissen, die im Fachjournal Nature erschienen sind, in der Lage, Ladungsverluste um bis zu 75 Prozent zu reduzieren.

Solarenergie: Halbleiter reduziert Ladungsverluste

Wenn Sonnenlicht auf das Halbleitermaterial einer Solarzelle trifft, können Photonen Elektronen anregen und aus ihren ursprünglichen Bindungszuständen lösen. Dabei entstehen negativ geladene Elektronen und sogenannte Löcher, die sich wie positive Ladungsträger verhalten.

Damit elektrischer Strom fließen kann, müssen diese Ladungsträger voneinander getrennt und zu den Kontakten der Solarzelle transportiert werden. Doch nicht alle gelangen dorthin, weil unterwegs Elektronen und Löcher wieder aufeinandertreffen können.

Dabei kommt es zur sogenannten Rekombination, die dazu führt, dass Energie in Form von Wärme oder Licht abgegeben wird. So wird die Zahl der Ladungsträger verringert, die tatsächlich zur Stromerzeugung beitragen, und gleichzeitig der Wirkungsgrad der Solarzelle begrenzt.

Problematisch ist hierbei vor allem, dass Materialien, die das Sonnenlicht besonders stark absorbieren, eher zur Rekombination neigen. Die Forscher der University of Oxford wollen diesen Zielkonflikt mit dem Halbleitermaterial Bismutsulfid umgehen.

„Wir konnten aufzeigen, wie eine ungewöhnliche elektronische Struktur eine starke Lichtabsorption mit einer deutlich langsameren Rekombination der Ladungsträger verbinden kann“, erklärt Studienautorin Laura Herz von der University of Oxford. „Damit haben wir ein neues Prinzip für die Gestaltung von Halbleitern gefunden, das uns helfen könnte, Solarenergie effizienter zu nutzen.“

Bismutsulfid als Halbleiter ist ausschlaggebend

Für ihre Untersuchung haben die Forscher dünne Schichten aus Bismutsulfid mit extrem kurzen Laserimpulsen bestrahlt. Mithilfe ultraschneller Terahertz-Spektroskopie konnten sie im Anschluss messen, wie schnell die entstandenen Ladungsträger wieder verschwanden.

„Das besonders Spannende an dieser Entdeckung ist, dass wir nicht einfach eine bestehende Eigenschaft von Halbleitern optimieren, sondern eine völlig neue Art des Halbleiterverhaltens identifiziert haben“, so Herz. „Das Verständnis dieses Mechanismus liefert uns einen Leitfaden, um weitere Materialien mit ähnlich vorteilhaften Eigenschaften zu entdecken – oder diese sogar gezielt zu entwickeln.“

Der entscheidende Vorteil liegt in der besonderen elektronischen Struktur des Materials. Denn Bismutsulfid kann Sonnenlicht sehr gut aufnehmen und dadurch Elektronen anregen.

Anschließend gelangen die erzeugten Ladungsträger jedoch in einen Zustand mit etwas niedrigerer Energie, in dem sie nicht so leicht wieder verloren gehen. Dieser Zustand wirkt wie ein Zwischenspeicher, da die Ladungsträger dort länger erhalten bleiben, anstatt sich schnell wieder miteinander zu verbinden.

So wird die unerwünschte Rekombination deutlich verlangsamt, ohne dass das Material seine Fähigkeit verliert, Sonnenlicht effektiv aufzunehmen. Nach Schätzungen der Forscher könne so die Verlustrate der Ladungsträger um etwa 75 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Materialien, die Licht ähnlich stark absorbieren, reduziert werden.

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