Startschuss für erstes vollautomatisches Batterieforschungs-Labor

© KIT / Dankel MesslingKarlsruhe - Bisher basieren elektrische Batterien in Elektroautos, stationären Stromspeichern oder bei industriellen Anwendungen fast ausschließlich auf der Lithium-Ionen-Technologie. Die Forschungen an Alternativen laufen auf Hochtouren. Eine neue High-Tech-Forschungsanlage aus Deutschland soll die Batterieentwicklung auf ein neues Level zu heben.

Für die Verkehrs- und Energiewende werden leistungsfähige und nachhaltige Batterien benötigt. Dies stellt eine große Herausforderung dar, denn von der Idee bis zum fertigen Produkt dauert es mit gegenwärtigen Methoden Jahrzehnte. Mit einer nun im Exzellenzcluster POLIS fertiggestellten High-Tech-Anlage soll es zukünftig sehr viel schneller gehen. Im Rahmen von POLIS forscht das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gemeinsam mit der Universität Ulm an Batterien der Zukunft.

Weltweit erste vollintegrierte Plattform zur beschleunigten Batterieforschung
Rund um die Uhr Batterien bauen, tausende Grenzflächen analysieren, die Ergebnisse mit Hilfe Künstlicher Intelligenz (KI) autonom auswerten und dann gleich das nächste Experiment planen: Eine neue Anlage am Exzellenzcluster POLIS erledigt die Materialentwicklung vollautomatisch und digital. Die Anlage mit der Bezeichnung PLACES/R (Platform for Accelerated Electrochemical Energy Storage Research) stellt die weltweit erste vollintegrierte Plattform zur beschleunigten Forschung zur elektrochemischen Energiespeicherung dar.

Das autonome Forschungslabor ist in einer Kooperation zwischen dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), der Universität Ulm sowie dem Helmholtz-Institut Ulm (HIU) entstanden und nun in Betrieb gegangen. Beim Start mit dabei war die baden-württembergische Wissenschaftsministerin Theresia Bauer. „Mit der Förderung dieser neuen Materialentwicklungsplattform ist eine weltweit einmalige Forschungsinfrastruktur entstanden. Wir erhoffen uns einen deutlichen Schub für die Forschung an Energiespeichern, die bei der Umstellung unseres Energiesystems und unserer Mobilität unerlässlich sind“, so die Ministerin.

„Wir sind nun in der Lage, Batterien und deren Einzelkomponenten automatisiert zu synthetisieren und zusammenzubauen, eine Messung anzustoßen und diese vollautomatisiert auszuwerten. Basierend auf der Datenlage kann die KI-gestützte Anlage sogar entscheiden, welches Experiment als nächstes durchgeführt werden soll“, so Helge Stein, Tenure-Track-Professor am KIT und POLIS-Forschungsbereichssprecher über die Vorzüge der Anlage. Mit seiner Forschungsgruppe hat Stein die zugrundeliegende kombinatorische Materialsynthese, die Hochdurchsatz-Charakterisierung sowie die Data-Mining-Techniken unter Zuhilfenahme von Methoden der KI in der Versuchsauswertung und -planung entwickelt.

Tageleistung der Forschungsanlage entspricht durchschnittlichem Lebenswerk eines Forschenden
Die Batterieforschung ist geprägt von der Suche nach der idealen Kombination aus Materialien, deren Zusammensetzung und Verfahrenstechniken. Alle möglichen Variationen mit allen Materialien zu testen, würde mit klassischen Methoden allerdings Jahrtausende in Anspruch nehmen, so das KIT. Die im Exzellenzcluster entwickelte und eingesetzte Anlage kann mehrere hundert solcher Variationen am Tag testen. „Dies entspricht in etwa dem durchschnittlichen Lebenswerk eines Forschenden“, so Stein. Neben der Beschleunigung durch Automatisierung kann durch die Algorithmen und KI eine zusätzliche, um den Faktor zehn schnellere Optimierung erreicht werden und vielversprechende Batteriekonzepte können damit noch schneller und kostengünstiger zur Marktreife gebracht werden.

Die neue Forschungsanlage ist in einen europäischen Rahmen eingebettet: Die erfassten Daten aus allen Bereichen des Batterieentwicklungszyklus werden mit 34 Institutionen aus 15 Ländern im Projekt BIG-MAP der europäischen Forschungsinitiative Battery 2030+ geteilt. „Das vollautomatisierte Labor wird uns und unsere europäischen Partner nicht nur in die Lage versetzen, Komponenten für neue Batterien viel schneller entwickeln zu können. Es wird auch sicherstellen, dass Batterien zu so niedrigen Kosten hergestellt werden können, dass es in Zukunft noch attraktiver sein wird, Strom zum Beispiel aus Sonne und Wind in Batterien zu speichern“, so die Einschätzung von Professor Maximilian Fichtner, geschäftsführender Direktor des HIU sowie Sprecher von POLIS.

Über das Exzellenzcluster POLIS
Im Exzellenzcluster POLIS (Post Lithium Storage) forschen Wissenschaftler an Batterien der Zukunft, die leistungsfähiger, zuverlässiger, nachhaltiger und umweltfreundlicher sind als die derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien. Gerade im Hinblick auf die Energiewende und Elektromobilität werden solche alternativen Technologien benötigt. Dazu bündeln das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Universität Ulm sowie die assoziierten Partner Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und Universität Gießen ihre Kompetenzen im Exzellenzcluster. Der Cluster wurde Ende 2018 im Zuge der hochkompetitiven Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder eingeworben und ist mit rund sieben Millionen Euro pro Jahr für zunächst sieben Jahre ausgestattet. Die rund 200 Forschenden verteilen sich auf die Standorte Ulm, Karlsruhe und Gießen.