Batterieforschung in Deutschland – Potenziale für vielfältige Anwendungen nutzen

Die Batterieforschung ist ein Aushängeschild des Bundesforschungsministeriums. Zukünftig sollen leistungsstarke Batterien aus Deutschland kommen.

Das Bundesforschungsministerium unterstützt die Entwicklung neuer Batterien. © Thinkstock

Im August 2009 verabschiedete die Bundesregierung den Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität, in dem die Grundlagen für eine strategisch ausgerichtete Entwicklung gelegt wurden. Deutschland soll Leitmarkt und Leitanbieter für die Elektromobilität werden. Dies kann nur dann gelingen, wenn leistungsfähige Batteriesysteme in Deutschland produziert werden können. Aber nicht nur in der Elektromobilität, sondern beispielsweise auch bei Laptops, Smartphones, Hochleistungswerkzeugen, Industrieanwendungen und der Medizintechnik sind leistungsstarke, langlebige und sichere Energiespeicher gefragt.

Schon seit 2007 unterstützt das Bundesforschungsministeriums (BMBF) die Batterieforschung. Seither werden in strategisch aufeinander abgestimmten Maßnahmen unterschiedliche Aspekte wieder aufladbarer Batterien erforscht. Dabei verfolgt das BMBF einen breiten Ansatz: Es unterstützt den akademischen Wissensaufbau im Bereich der Batteriematerialien und Prozesstechnologien von Batteriezellen. Die Maßnahmen zielen unter anderem auf die Steigerung von Anzahl, Qualität und Ausstattung von elektrochemischen Kompetenzzentren. Weiterhin werden auch Batteriesysteme der Zukunft durch die Förderung von Technologien der sogenannten "Post-Lithium-Ionen-Ära" unterstützt. Ein weiterer Schwerpunkt ist der Transfer der Ergebnisse aus der Forschung in einen industrietauglichen Maßstab und schlussendlich in die industrielle Anwendung.

Die Fördermaßnahmen adressieren zum einen Werkstoff- und Prozessentwicklungen im Bereich der Lithium-Ionen-Technologie. Auf Basis bestehender Technologien werden in evolutionären Ansätzen neue Materialien und Produktionsmethoden erforscht, die mittelfristig sowohl in Hybrid- und Elektrofahrzeugen als auch bei vielen weiteren industrierelevanten Anwendungen zum Einsatz kommen werden. Zum anderen werden auch grundlegend neue Ansätze wie beispielsweise die Metall-Luft-Batterie verfolgt, die erst langfristig eine Chance auf industrielle Umsetzung haben werden. Neben der Steigerung der Energiedichte stehen Sicherheit und Lebensdauer im Mittelpunkt der Arbeiten. Ein wichtiger Aspekt der Batterieaktivitäten des BMBF ist es auch, durch gezielte Ausbildung und Förderung im Bereich der Elektrochemie Nachwuchskräfte für Forschung und Industrie zu entwickeln.

Exzellenz in der Batterieforschung – Innovationen voranbringen

In 2009 wurden mit Mitteln des Konjunkturpakets II die beiden Kompetenzverbünde Elektrochemie Nord und Süd aufgebaut. Die Forschungsverbünde zur Steigerung der Kompetenz in der Elektrochemie setzen neben der standortübergreifenden Forschung auf die Entwicklung gemeinsamer Ausbildungsmodule. Hierdurch wird die Ausbildung von wissenschaftlich-technischem Nachwuchs in der Elektrochemie gestärkt und die Vernetzung gefördert. Mit den beiden Kompetenzverbünden wurde eine konsequente Aufholjagt begonnen, um in der Forschung wieder zur Weltspitze aufschließen zu können.

Um auch weitere Felder zu erschließen, wurden Anfang 2009 die Vorhaben der  Innovationsallianz "Lithium-Ionen-Batterie LIB 2015", die gemeinsam mit dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie initiiert wurde, gestartet. Als erste große Maßnahme für Lithium-Ionen-Batterien wurden, ausgehend von grundlegenden Forschungsarbeiten, geeignete Materialien und Herstellverfahren entwickelt und daraus Zellen hergestellt. In einem nächsten Schritt sollten die Zellen zu einem Gesamtsystem zusammengefasst werden, verbunden mit einem intelligenten Batteriemanagementsystem.

Im Rahmen der Bekanntmachung Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität (STROM) wurden ab 2011 Forschung und Entwicklung zu Energiespeichern der nächsten Generation gefördert. Hier standen im Wesentlichen grundlegende Arbeiten zu zukünftigen Batteriesystemen wie Lithium-Schwefel oder Metall-Luft im Fokus.

Seit 2012 werden im Rahmen der Bekanntmachung Exzellenz und technologische Umsetzung der Batterieforschung (ExcellentBattery) an kompetenten Institutionen Zentren eingerichtet, in welchen mehrere exzellente miteinander vernetzte Forschergruppen und industrielle Begleitvorhaben gefördert werden. Die Forschergruppen sollen wissenschaftlichen und technischen Erkenntnisgewinn in der Batterietechnik und der zugehörigen Prozesstechnik betreiben und so Deutschland in diesem Technologiebereich den Weg zu einer zukünftigen weltweiten Spitzenposition bereiten.

Mit Unterstützung des BMBF wurde der Kongress „Batterieforum Deutschland“ ins Leben gerufen, bei dem die vielfältigen Aktivitäten rund um die Batterie vorgestellt und diskutiert werden. Den unterschiedlichen Akteuren entlang der Wertschöpfungskette Batterie wird so die Möglichkeit zur aktiven Vernetzung gegeben.

"Batterie 2020" – eine neue Generation

Die im August 2014 veröffentlichte Maßnahme "Batterie 2020" setzt die strategische Linie des BMBF fort. Mit der Maßnahme werden in drei Linien Batteriematerialien entsprechend ihres Reifegrades zwischen grundlegender Forschung und Industrialisierung adressiert. Im Fokus stehen Material- und Prozesstechnik für Lithium-Ionen-Systeme, die in näherer Zukunft zur Anwendungen gelangen werden. Durch neue und evolutionär weiterentwickelte Materialien wird eine neue Generation sekundärer Hochenergie- und Hochleistungs-Batteriesysteme vorangetrieben. Batteriesysteme wie Lithium-Schwefel oder Metall-Luft-Systeme können die Zukunft darstellen, da sie deutlich mehr Energieinhalt versprechen.  

„ProZell“ – Kompetenzcluster zur Batteriezellproduktion

Für eine international wettbewerbsfähige Herstellung von Batteriezellen (dem Kernstück der Batterie) in Deutschland, ist es besonders wichtig, die komplexen Herstellungsprozesse zu beherrschen. Jeder einzelne Prozessschritt hat Einfluss auf die Leistungsfähigkeit, die Qualität und die Kosten von Batteriezellen. Um diese Zusammenhänge wissenschaftlich aufzuklären und für die Industrie in Deutschland zugänglich zu machen, wurde in 2016 „ProZell“, das Kompetenzcluster zur Batteriezellproduktion, durch das BMBF initiiert. Im Forschungscluster werden die Kompetenzen von 22 Forschungseinrichtungen und die an unterschiedlichen Standorten vorhandenen Forschungsanlagen und -infrastruktur zur Batteriezellfertigung zusammengeführt. In einzelnen Verbundprojekten werden die Teilprozesse der Batteriezellfertigung systematisch und gemeinsam erforscht. Durch den übergeordneten Managementkreis von "ProZell" wird die Industrie mit eingebunden, damit ein enger Schulterschluss zwischen Wissenschaft und Industrie erreicht werden kann. Der Forschungscluster "ProZell" soll die wissenschaftliche Basis für eine erfolgreiche großskalige industrielle Batteriezellproduktion in Deutschland legen.