Elektrochemie mit Tradition und Zukunft

Ulms Beitrag zur Energiewende und Elektromobilität

Die Ulmer Wissenschaftsstadt ist eine Zukunftsschmiede für leistungsstarke, zuverlässige Batterien und Brennstoffzellen. Solche neuartigen und umweltfreundlichen Speicher und Wandler tragen maßgeblich zum Gelingen der Energiewende und zur Etablierung der Elektromobilität bei. Dabei arbeitet die traditionsreiche und weltweit anerkannte Elektrochemie der Universität mit starken Partnern aus der Praxis zusammen. Mit diesen Partnern ist es der Universität 2018 sogar gelungen, das deutschlandweit einzige Exzellenzcluster im Bereich Batterieforschung einzuwerben.

 

Fördermittel - Kooperationen - Kontakt

Fördermittel
Exzellenzcluster
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
EU (ERC Starting, Grant) u.a.

Kooperationen
KIT, ZSW, Uni Gießen
Helmholtz Institut Ulm Elektrochemische Energiespeicherung (HIU)
Prof. Maximilian Fichtner, Prof. Dr. Arnulf Latz, Prof. Dr. Stefano Passerini
Zentrum für Solarenergie und Wasserstoffforschung (ZSW)
Kompetenznetzwerk Lithium-Ionen Batterien (KLiB)
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Cil-BW

Kontakt

Prof. Dr. Timo Jacob | Institut für Elektrochemie

Forschung zur Batterie der Zukunft

Die Ziele sind ambitioniert: In den nächsten Jahren soll die Energiewende gelingen und Elektrofahrzeuge das Straßenbild prägen. Voraussetzung dafür sind leistungsstarke, zuverlässige und umweltfreundliche Speicher. Denn Energie aus erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wasser steht nicht immer zur Verfügung, muss also zwischengespeichert werden. Und bei Produktionsspitzen sind Speicher notwendig, um Netzüberlastungen zu vermeiden. Zudem brauchen Elektroautos eine zuverlässige Reserve, damit sie bei der Fahrt genügend Strom haben.

Doch herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien wie sie in Smartphones und Notebooks verwendet werden, haben ihre maximale Speicherkapazität beinahe erreicht. In der Ulmer Wissenschaftsstadt suchen Grundlagenforscher und Praktiker deshalb nach Batterien der Zukunft. Dazu haben die Universität Ulm, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) die größte deutsche Plattform für elektrochemische Energieforschung, CELEST, gegründet. Mit den Feldern „Lithium-Ionen-Technologie“, „Energiespeicherung jenseits von Lithium“ und „alternative Techniken zur elektrochemischen Energiespeicherung“ deckt die Plattform alle aktuellen Themen der elektrochemischen Energiespeicherung ab. Einen ersten herausragenden Erfolg konnte CELEST bereits für sich verbuchen: Im Zuge der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder haben die Forschenden das Exzellenzcluster POLiS (Post Lithium Storage Cluster of Excellence) eingeworben, das für zunächst sieben Jahre mit rund sieben Millionen Euro jährlich gefördert wird. Im Zentrum des Clusters stehen Batteriesysteme, die ohne die endlichen Materialien Lithium und Kobalt auskommen.

Langjährige Erfahrung zahlt sich aus

An der Universität hat die Elektrochemie eine lange Tradition: Obwohl dieser Forschungsbereich bereits als "Auslaufmodell" galt, hat man in Ulm am entsprechenden Institut festgehalten - was sich heute auszahlt. Denn noch immer sind Vorgänge, die in Batterien und Brennstoffzellen auf molekularer und atomarer Ebene ablaufen, nicht vollständig aufgeklärt. Wichtige Beiträge in Theorie und Experiment hat die DFG-Forschergruppe FOR 1376 "Elementary Steps in Electrocatalysis: Theory meets Experiment" geleistet. Außerdem bündeln Hochschule und Universität Ulm sowie das ZSW ihre Aktivitäten im „Zentrum für Energieforschung und -technologie“ (ZET). Dabei decken die Forschungsprojekte ein breites Themenspektrum ab – von intelligenten Stromnetzen bis zum synthetischen Kraftstoff und den ebenfalls intensiv beforschten Brennstoffzellen. Als emissionsfreie Energieversorger bieten sie zum Beispiel eine Alternative zum Verbrennungsmotor.
Die Forschungsinfrastruktur an der Universität Ulm ist hervorragend: Bereits seit Ende 2014 erleichtert der Hochleistungscomputer JUSTUS große Rechenoperationen für die Energieforschung. Dieser Supercomputer ist Herzstück des bwForClusters für die theoretische Chemie und wurde speziell für die Erforschung der chemischen Energiespeicherung und -wandlung konzipiert. Er steht Wissenschaftlern aus ganz Baden-Württemberg zur Verfügung. Weiterhin eröffnen ein Atomprobentomograph und ein Supermikroskop den Forschern neue Einblicke: Die Universität Ulm verfügt mit SALVE über das weltweit einzige Niederspannungs-Transmissionselektronenmikroskop mit zweifacher Bildfehlerkorrektur.

Starke Partner in der Wissenschaftsstadt - HIU und ZSW

Bindeglieder zwischen Grundlagenforschung und Praxis sind das Helmholtz-Institut Ulm für elektrochemische Energiespeicherung (HIU) und das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in der Wissenschaftsstadt.

2011 wurde das außeruniversitäre Forschungsinstitut HIU eröffnet, getragen vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) als Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und der Universität Ulm sowie den assoziierten Partnern ZSW und Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). In dem Neubau mit hochtechnologisierten Laboren - passenderweise an der Helmholtzstraße gelegen - entwickeln und testen internationale Forschergruppen neue Speichermaterialien und entwickeln ganz neue Systeme.

Forschungsaktivitäten des benachbarten ZSW reichen von der Modellierung elektrochemischer Vorgänge bis zur Demonstration kompletter Systeme. Vor mehr als 20 Jahren ist das industrienahe Zentrum aus der Uni Ulm ausgegründet worden. Die Wissenschaftler erforschen neue Materialien für Batterien, testen Kombinationen, untersuchen ihren Alterungsprozess und verfügen über eine Pilotfertigungsanlage für Lithium-Ionen-Batterien.

Mithilfe der neuen ZSW-Forschungsplattform entwickeln führende deutsche Industrieunternehmen Verfahren zur Herstellung großer automobiltauglicher Lithium-Ionen-Batterien. Das Ziel: Batterien für die Elektromobilität sollen vor Ort für die Bedürfnisse des deutschen Markts hergestellt werden. Im Exzellenzcluster POLiS und in der Forschungsplattform CELEST ist das ZSW ein wichtiger Partner der Universität Ulm.

Nachwuchsforschung am HIU

Für qualifizierten Nachwuchs in der Batterieforschung ist in der Wissenschaftsstadt gesorgt: Zum einen durch die englischsprachigen Masterstudiengänge Energy Science and Technology, Advanced Materials, sowie Chemical Engineering und zum anderen durch das Weiterbildungszentrum Ulm (WBZU) des ZSW: Vorträge, Informationsveranstaltungen, Modellversuche und Exponate begeistern Schülerinnen und Schülern sowie Berufstätige aus Industrie, Handwerk und Wissenschaft. Zudem werden im Zuge der Plattformen CELEST und ZET Graduiertenschulen etabliert.

Hervorragende Werbeträger für die Ulmer Energieforschung sind zum einen das umweltfreundliche Brennstoffzellenflugzeug HY4, das Ende 2016 seinen Erstflug erfolgreich absolviert hat. Zum anderen haben die organischen Solarzellen der Uni-Ausgründung Heliatek bereits den einen oder anderen Weltrekord aufgestellt.

Bilder: Elvira Eberhardt, Heiko Grandel, Photodesign Armin Buhl, Irina Westermann