Die Energiezukunft ist regenerativ. Wie sich der Mix aus Sonne-, Wind- und Wasserkraft zusammensetzt, ist heute noch ungewiss. Aber sicher ist: Die Energieformen müssen gut ineinander umwandelbar sein. Damit der Mix aus erneuerbaren Quellen funktioniert, braucht es zuverlässige Speicher – Batterien und Brennstoffzellen spielen dabei eine zentrale Rolle. Genau hier setzt die Forschung von Prof. Hubert Gasteiger an. An der TU München am Lehrstuhl für Technische Elektrochemie untersucht er mit seinem Team, wie Batterien und Brennstoffzellen altern – und wie sich ihre Materialien verbessern lassen. Sein Ziel: die Speichertechnologien fit für die Energiewende machen.
Batterien an ihre Leistungsgrenze bringen: Das Team um Prof. Hubert Gasteiger arbeitet am Lehrstuhl Technische Elektrochemie der TU München an der Schnittstelle zwischen Materialentwicklung und Anwendung. (Foto: TUMint Energy Research)
Was sind derzeit Ihre Forschungsschwerpunkte?
Im Zentrum stehen bei uns neue Materialien für Batterien und Elektrokatalysatoren – also für Anwendungen wie Brennstoffzellen, Elektrolyseure oder Lithium-Ionen- bzw. Natrium-Ionen-Batterien. Wir fokussieren uns auf die Synthese und Charakterisierung der Materialien, vor allem auch in Bezug auf deren Alterung. Besonders interessiert uns, wie sie sich unter realen Bedingungen verhalten. Denn häufig werden sie im Labor unter idealisierten Bedingungen getestet, die wenig mit dem späteren Einsatz in einer Zelle zu tun haben. Wir versuchen, diese Lücke zu schließen.
Wie testen Sie das?
Wir arbeiten an der Schnittstelle zwischen Materialentwicklung und Anwendung. Zum Beispiel nutzen wir sogenannte „Einzeller“, also kleinformatige Zellen mit nur einem Elektrodenpaar, um Materialien für Brennstoffzellen, Elektrolyseure und Batterien unter möglichst realitätsnahen Bedingungen zu untersuchen. So bekommen wir Informationen, wie gut ein neues Material tatsächlich im späteren Einsatz in großformatigen Mehrzellern funktionieren würde. Dazu arbeiten wir unter anderem auch mit den Gruppen von Prof. Rüdiger Daub und Prof. Andreas Jossen von der TUM School of Engineering and Design zusammen.
Ein zentrales Ziel in der Batterieforschung ist es, immer höhere Energiedichten zu erreichen. Was bedeutet das für Ihre Arbeit?
Je mehr Energie eine Lithium-Ionen-Batterie speichern soll, desto stärker geht man an die Stabilitätsgrenzen der Materialien – zum Beispiel durch extensiveres Delithiieren des Kathodenaktivmaterials in der positiven Elektrode. Genau hier setzen wir an: Wir untersuchen, wie weit man diese Belastung (d.h. den Delithiierungsgrad) treiben kann, ohne die Stabilität der Materialien zu gefährden. Denn die Batterien neigen dazu, nicht nur anfälliger für Alterung, sondern potenziell auch unsicherer zu werden, weil sich das stark delithiierte Kathodenaktivmaterial dabei partiell zersetzen kann, vor allem bei erhöhten Betriebstemperaturen. Wir wollen genau verstehen, welche Mechanismen ablaufen und wie sich Werkstoffe gezielt verbessern lassen, ohne diese Risiken zu vergrößern.
Was passiert beim Delithiieren genau – und wie hängt es mit der Energiedichte einer Batterie zusammen?
Beim Laden einer Lithium-Ionen-Batterie werden Lithium-Ionen aus dem Kathodenmaterial der positiven Elektrode entfernt – dieser Vorgang wird Delithiieren genannt. Die Ionen wandern durch den Lithium-Ionen-leitenden Elektrolyten zur negativen Elektrode, die dabei lithiiert wird, während die Elektronen über den äußeren Stromkreis dorthin fließen. So wird Energie in der Batterie gespeichert. Wenn man eine Batterie mit höherer Energiedichte herstellen möchte – also mehr Energie auf gleichem Raum und bei gleichem Gewicht speichern will –, muss man das Kathodenmaterial stärker delithiieren. Denn je mehr Lithium-Ionen man aus dem Material herauslöst, desto mehr elektrische Ladung lässt sich speichern. Genau hier liegt aber das Problem: Das Material wird dabei zunehmend instabil. Kurz gesagt: Höhere Energiedichte erfordert tieferes Delithiieren – das heißt, das Material wird beim Laden stärker belastet. Das steigert zwar die Leistung, beschleunigt aber gleichzeitig die Alterung des Kathodenaktivmaterials und der Batteriezelle und kann auch die Sicherheit der Batterie beeinträchtigen. Deshalb untersuchen wir, wie weit man diesen Prozess treiben kann, ohne das System aus dem Gleichgewicht zu bringen – und wie man Materialien so verändert, dass sie unter diesen Bedingungen stabil bleiben.
Wie lassen sich solche Alterungsmechanismen untersuchen?
Wir kombinieren elektrochemische Methoden – etwa Impedanzmessungen – mit physikalisch-chemischen Techniken wie Thermogravimetrie, Massenspektrometrie, Röntgenabsorptions- oder Röntgenphotoelektronenspektroskopie. Besonders hilfreich sind operando-Messungen, bei denen wir während des Batteriebetriebs beispielsweise die Gasentwicklung via Massenspektrometrie beobachten, und zwar mit einem von uns entwickelten Aufbau, der Online Electrochemical Mass Spectrometry, kurz OEMS. So können wir Rückschlüsse auf die zugrunde liegenden Reaktionen ziehen und auch Reaktionsstöchiometrien bestimmen. Vor allem, um die zahlreichen Alterungsmechanismen zu entschlüsseln, braucht es spezielle Messmethoden. Deswegen entwickeln wir auch eigene Apparaturen oder adaptieren bestehende für unsere Zwecke. Solche Entwicklungen dauern oft Jahre, lohnen sich aber, weil wir so zu neuen Erkenntnissen gelangen.
Haben Sie dafür ein Beispiel?
Ein Highlight war, dass wir anhand einer Studie konnten wir zeigen, dass zwei unterschiedliche Alterungsprozesse in Lithium-Ionen-Batterien parallel ablaufen: Zum einen wird das Kathodenaktivmaterial selbst instabil, wenn es stark delithiiert wird. Dabei tritt Sauerstoff aus dem Material und reagiert mit dem Elektrolyten, wobei sich das Lithiumsalz im Elektrolyten zersetzt. Zum anderen wird der Elektrolyt bei hohen Potenzialen oxidiert, was zur Bildung von Protonen führt, die unter anderem das Übergangsmetall im Kathodenaktivmaterial auflösen. Wir konnten mittels online-Massenspektrometrie und operando-Röntgenabsorptionsspektroskopie beide Mechanismen getrennt analysieren und zeigen, dass sie unterschiedlichen Gesetzmäßigkeiten folgen – etwa in Bezug auf Temperatur oder Potenzial.
Kooperationen spielen sicher eine zentrale Rolle, wenn es darum geht, neue Batteriematerialien in die Anwendung zu bringen.
Auf jeden Fall. Letztlich muss sich jedes neue Material nicht nur im Labor beweisen, sondern auch in der realen Batterie funktionieren – unter den Bedingungen, die später in Elektroautos, stationären Speichern oder anderen Anwendungen herrschen. Dafür arbeiten wir eng mit Partnern an der TUM zusammen, um beispielsweise physikochemische Daten zu bestimmen, die für die Batteriemanagementsysteme am Lehrstuhl von Prof. Andreas Jossen genutzt werden können oder um diagnostische Methoden zu entwickeln, die in der Zellproduktion am Lehrstuhl von Prof. Rüdiger Daub genutzt werden können. Auch Industriepartner wie die BASF sind für uns wichtige Schnittstellen zur Anwendung. Oft kommen Unternehmen mit sehr konkreten Fragen auf uns zu: Wie altert ein bestimmtes Material? Wie lässt sich das quantitativ erfassen? Welche Mechanismen stecken dahinter? Für solche Fragestellungen entwickeln wir maßgeschneiderte Diagnosemethoden. Solche Kooperationen sind für beide Seiten wertvoll – und entscheidend dafür, dass Grundlagenforschung den Weg in die Praxis findet.
Der Alterung auf der Spur: In kleinformatigen Li‑ und Na‑Batterie‑ (links), Wasserstoffbrennstoff‑ (mitte) und Wasserstoffelektrolysezellen (rechts) testet das Forschungsteam um Prof. Hubert Gasteiger die Leistung und Lebensdauer von Elektrokatalysatoren unter realitätsnahen Bedingungen. Mithilfe gezielter Stresstests können Degradationsmechanismen aufgeklärt und Verbesserungsansätze entwickelt werden. (Daniel Delang / TUM)
Neben Lithium forschen Sie auch an Natrium-Ionen-Batterien. Warum?
Natrium ist eine vielversprechende Alternative zu Lithium, gerade für stationäre Speicher. Die Ressourcen sind weltweit breiter verteilt und preiswerter. Allerdings stehen wir hier noch am Anfang – viele grundlegende Fragen sind offen. Der chemische Baukasten ist deutlich größer, das macht es spannender, aber auch komplexer. Wir arbeiten aktuell in einem großen BMFTR-Verbundprojekt: Sodium-Ion-Battery Deutschland-Forschung, kurz SIB:DE. Das übergeordnete Ziel der Initiative ist der Aufbau eines umfassenden Ökosystems für die Produktion von Natrium-Ionen-Batterien. Unsere Aufgabe in diesem Projekt ist die Adaptierung diagnostischer Methoden, die wir für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt haben, so dass damit die Alterungsmechanismen in Natrium-Ionen-Batterien beleuchtet werden können.
„Batterien sind nach wie vor eine ‚Black Box‘ – vieles funktioniert, ohne dass man genau versteht, warum. Das macht die Forschung so spannend und motivierend“, sagt Prof. Hubert Gasteiger. (Foto: V. Hiendl/e-conversion)
Lassen Sie uns noch das Thema Brennstoffzellen aufgreifen. Was macht die Forschung daran besonders herausfordernd?
Im Gegensatz zur Batterieforschung, für die aufgrund der einfachen Anforderungen an die Testapparaturen hunderte, in der Industrie sogar zehntausende, parallele Messungen durchgeführt werden können, um die Alterung von Batteriezellen zu untersuchen, sind Alterungstests an Brennstoffzellen sehr herausfordernd. Dies liegt daran, dass die Versuchsanlagen hierfür viel aufwändiger sind als für Batterien. Sie erfordern nicht nur mehr Laborraum, sondern sind technisch sehr komplex und teuer. Hinzu kommt eine aufwändige Testumgebung: Man muss Wasserstoff und Sauerstoff präzise zuführen, die Gase befeuchten, Druck und Temperatur konstant halten und die Zelle über die gesamte Laufzeit exakt konditionieren. So können selbst große Firmen nur ein bis zwei Dutzend Versuchsanlagen betreiben – meist sehr viel weniger als zehn in universitären Gruppen. Da ein einziger Alterungstest an einer Brennstoffzelle mehrere Wochen oder sogar Monate dauern kann, erfordert die Validierung eines neuen Katalysators oder anderer Brennstoffzellenkomponenten sehr viel Ressourcen und Zeit, um statistisch signifikante Ergebnisse zu erhalten. Das bedeutet: Die Versuche sollten sorgfältig geplant und die Parameter gezielt ausgewählt sein.
Gibt es Strategien die Testumgebungen effizienter zu gestalten?
Ein Ansatz sind sogenannte Accelerated Stress Tests, also beschleunigte Alterungstests. Dabei wird die Zelle gezielt über längere Zeiträume hinweg bestimmten Stressfaktoren ausgesetzt: etwa stark schwankenden Spannungen, hohen Temperaturen oder anspruchsvollen Betriebszyklen. Ziel ist es, innerhalb kürzerer Zeit typische Alterungsprozesse sichtbar zu machen, die im Realbetrieb erst nach Jahren auftreten würden. Solche Tests liefern wichtige Hinweise darauf, wie und warum Brennstoffzellen altern – und wie man Materialien und Betriebsstrategien verbessern kann, um die Lebensdauer zu verlängern.
Was motiviert Sie besonders an Ihrer Forschungsarbeit?
Dank unserer Erkenntnisse können Anwendungen verbessert werden. Natürlich erfordern Brennstoffzellen-Tests viel Aufwand und Planung und sind in der Forschung anspruchsvoll, aber auch sehr lohnend: Wenn man dadurch Mechanismen aufdecken kann, die im normalen Betrieb verborgen bleiben. Weiterhin können die gewonnenen Erkenntnisse zum Einfluss der einzelnen Materialien und Komponenten sowie der Betriebsstrategien auf die Leistung und die Alterung von Brennstoffzellen auch genutzt werden, um die Entwicklung leistungsstarker und haltbarer Wasserelektrolyseure voranzutreiben. Und auch Batterien sind nach wie vor eine große „Black Box“ – vieles funktioniert, ohne dass man genau versteht, warum. Das macht die Forschung so spannend und motivierend. Zudem macht es mir große Freude, mit so vielen engagierten und wissenschaftlich neugierigen jungen Menschen zu arbeiten und zu beobachten, wie sie in ihrem Forschungsthema – und nicht selten darüber hinaus – von Lernenden zu kritischen Diskussionspartnern werden, die neue, beneidenswert kreative Ideen und Lösungen entwickeln.