Batterieoptimierung treibt Energiewende voran

Oberflächen 06. 11. 2023
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Effizienter und umweltfreundlicher: Eine Forschungsgruppe der Hochschule Aalen um Timo Sörgel forscht an verbesserten Batteriekomponenten

Smartphone, Elektroauto, ­Windkraftanlage: Es gibt kaum einen Lebensbereich, in dem wir keine Lithiumionenakkus nutzen. Die Energiespeicher sind vielseitig, verfügen über eine hohe Energiedichte, eine geringe Selbstentladung und eine langlebige Leistung. Wäre es möglich, sie in einigen Aspekten noch zu verbessern – der Nutzen wäre enorm. So soll zum Beispiel die Elektromobilität in Deutsch­land ausgebaut werden. Bis 2030 will die Bundesregierung mindestens sieben bis zehn Millionen Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen fahren sehen.

Bessere Batterien ­fördern Elektromobilität

Die Gruppe um Prof. Timo Sörgel vom Zentrum Elektrochemische ­Oberflächentechnik (ZEO) an der Hochschule Aalen forscht an Verfahren, die eine Herstellung verbesserter Batteriekomponenten ermöglichen könnte, die kostengünstiger, umweltfreundlicher und sicherer sind. Auf Elektroautos bezogen hieße das: schnellere Ladezeiten und eine höhere Leistung. Beide Aspekte unterstützen die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen. Zusätzlich könnten die Rohstoffe aus den Elektroden wesentlich einfacher zurückgewonnen werden, was die Batterien nachhaltiger und wirtschaftlicher macht.

Prof. Sörgel arbeitet seit rund zehn Jahren an galvanotechnischen Verfahren, bei ­denen sich mittels elektrischen Stroms ­Metalle auf einer Oberfläche niederschlagen. Ziel ist es, Elektroden für Lithiumakkumulatoren zu optimieren: Das Verfahren, das in Aalen entwickelt wurde, nennt sich Kompositgalvanoformung. Dafür werden nach Aussage von Prof. Sörgel Dispersionsabscheidung und Foliengalvanoformung kombiniert und so Kathoden für Lithium-Schwefel- und Lithium­ionenbatterien hergestellt.

Bei der klassischen Foliengalvanoformung wird auf eine rotierende Walze, beispielsweise aus Titan, galvanisch Metall abgeschieden und diese Metallschicht in Form einer ­Folie zeitgleich und kontinuierlich wieder von der Walze abgezogen. Bei der Dispersionsabscheidung werden funktionale Partikel, in diesem Fall die Kathodenaktivmaterialien, mit in die galvanisch abgeschiedene ­Metallmatrix eingelagert. Durch die Verfahrenskombination erhalten wir so eine freistehende Kompositfolie, die direkt als fertige Batterie­kathode eingesetzt werden kann. Vor kurzem haben wir in Aalen die weltweit erste Technikumsanlage dafür in Betrieb genommen, erklärt der Forscher. Seit 2019 ist diese Technik und das von dem Team hergestellte Folienverbundmaterial in Deutschland, Frankreich und Großbritannien patentiert. In Sörgels Forschungsgruppe arbeiten dabei viele junge Studierende, die sich für die Zukunftstechnologie Kompositgalvanoformung begeistern.

Mit ihm Team: Studentin Suvetha Logeswaran. Sie untersucht in ihrer Bachelorarbeit die Kompatibilität zwischen galvanisch abgeschiedener Metallmatrix und den eingelagerten funktionalen Partikeln bei der Dispersionsabscheidung in Abhängigkeit von Oberflächen- und Grenzflächenenergien. Über mein Chemiestudium kam ich zur Oberflächentechnik. Mich begeistert, wie innovativ und aktuell unsere Themen sind, zum Beispiel die Batterietechnik, sagt Suvetha Logeswaran.

Studentin Suvetha Logeswaran gefiel die Hands-on-Mentalität bei der Forschung am Zentrum Elektrochemische Oberflächentechnik der Hochschule Aalen besonders gut (Bild: Hochschule Aalen/Volker Miosga)

 

Besonders gut gefiel ihr die Hands-on-Mentalität in der Forschungsgruppe. ­Spontane Ideen wurden kurzerhand umgesetzt und bei anstehenden Problemen, etwa beim 3D-Druck oder bei CAD-Konstruktionen haben sich im Team schnell Lösungen gefunden. In der Forschungsgruppe hat sie gemerkt, wie praxisnah ihr Studium an der ­Hochschule Aalen ist. Ich konnte Wissen aus den Vorlesungen, die ich am Studienbeginn gehört habe, hier im Labor praktisch anwenden, beschreibt die Studentin im Studiengang Oberflächentechnologie/Neue Materialien der Hochschule ihre Erfahrungen.

Batterietechnologie praktisch umsetzen

Reichlich Praxiserfahrung machte auch Phillip Scherzl, der ein von SCHOTT unterstütztes duales Studium an der Hochschule Aalen absolvierte. In seinem Master, dem Forschungsmaster Advanced Material and Manufacturing an der Hochschule Aalen, konnte er die Bereiche, die ihn besonders interessierten, miteinander verknüpfen: Elektrochemie, Galvanotechnik und Batterietechnologie. In meiner Arbeit habe ich grundlegende Fragestellungen bearbeitet, die beantwortet werden müssen, um die Kompositgalvanoformung von Kathoden für Lithiumionenbatterien mit Aluminium als Matrixmetall später umsetzen zu können. Dies führte zur Entwicklung eines definiert strukturierten Stromsammlers aus Aluminium für Batterien – wichtige Ergebnisse, die maßgeblich zu einer kürzlich veröffentlichten wissenschaftlichen Publikation der Arbeitsgruppe beitrugen. Nach Abschluss seines Studiums wechselte er als Process Engineer Surface Technology in das Unternehmen: Da ich im gesamten Master sehr eigenständig gearbeitet und Verantwortung übernommen habe, fällt mir dies nun beim Jobeinstieg bei SCHOTT leicht, so Scherzl.

Forschungsnachwuchs für die Energiewende

Vielversprechende Talente direkt aus Hochschulen zu rekrutieren, die bereits Erfahrungen in relevanten Projekten gesammelt haben: Davon profitieren Unternehmen, die eng mit der Wissenschaft zusammenarbeiten. Das gilt vor allem für stark anwendungsbezogene und zukunftsgerichtete Bereiche wie die Batterieforschung.

Denn der weltweite Markt für Batterien wächst rasant: Laut einer Studie von McKinsey wird die Nachfrage bis 2030 um jährlich 30 Prozent steigen. Gleichzeitig werden Rohstoffe für die Herstellung auf Dauer knapp werden – neue Batteriegenerationen, die sich effizient recyceln lassen, werden also dringend benötigt. Die Ausbildung von Experten und Expertinnen im Batteriebereich, wie sie in Zusammenarbeit von Wissenschaftseinrichtungen und Unternehmen funktioniert, ist damit ein essenzieller Baustein für das Gelingen der Energiewende.

Weitere Informationen

R. Arnet, O. Kesten, W. El Mofid, T. Sörgel: Combining 3D Printing and Electrochemical Deposition for Manufacturing Tailor-Made 3D Nickel Foams with Highly Competitive Porosity and Specific Surface Area Density; Metals 2023, 13, 857; https://doi.org/10.3390/met13050857

P. Scherzl, M. Kaupp, W. El Mofid, T. Sörgel: Electroforming as a Novel One-Step Manufacturing Method of Structured Aluminum Foil Current Collectors for Lithium-Ion Batteries; Batteries 2023, 9, 422; https://doi.org/10.3390/batteries9080422

Text zum Titelbild: Prof. Dr. Timo Sörgel an der weltweit ersten Technikumsanlage, an der durch eine von ihm entwickelte patentierte Verfahrenskombination Folienverbundmaterial hergestellt werden kann, beispielsweise für Batteriekathoden (Bild: Hochschule Aalen/Volker Miosga)

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