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Sicher und leistungsstark – Goslar forscht für die Batterien der Zukunft

Innenraum des Batterie-Sicherheitscampus (Bildrechte: christo.cc)

Es gibt Akkus, die laufen heiß und explodieren – alles schon passiert. Ein bekannter Smartphone-Hersteller musste deswegen sogar eine komplette Produktlinie zurückrufen. Wie so etwas vermieden werden kann, daran wird in Goslar geforscht: auf dem Batterie-Sicherheitscampus.

Ob im Smartphone, der elektrischen Zahnbürste, der TV-Fernbedienung oder im E-Auto: Batterien und Akkus sind in unserem Alltag allgegenwärtig. Damit wir diese Technik möglichst lange kabellos nutzen können, werden ihre Stromspeicher immer leistungsfähiger. Die Bedarfe an Batterien und Akkus wachsen ständig: Sie müssen nicht nur leistungsstark, sondern auch sicher sein. Das stellt Industrie und Forschung vor enorme Herausforderungen.

Hier kommt der Batterie-Sicherheitscampus Deutschland in Spiel: Er ist die Heimat zahlreicher Forschungseinrichtungen, die sich tagtäglich mit der Sicherheit mobiler und stationärer Batterieanlagen beschäftigen.

Wissenstransfer ist Trumpf

Stolze 40.000 Quadratmeter – mehr als fünf Fußballfelder – groß ist das Areal des Campus. Hier haben sich nicht nur internationale Institutionen und universitäre Einrichtungen angesiedelt, auch Start-ups nutzen die enormen Vernetzungsvorteile des Batterie-Sicherheitscampus. Schließlich werden Visionen am besten in Zusammenarbeit mit anderen fähigen Köpfen verwirklicht. Der Campus ermöglicht es Unternehmen, sich hier längerfristig anzusiedeln – oder für einen begrenzten Zeitraum an bestimmten Projekten zu beteiligen.

Nicht nur die Forschungsinfrastruktur überzeugt: Weil die Vereinbarkeit von Familie und Beruf ein wichtiges Thema für junge Familien ist, ist eine Kindertagesstätte Teil des Campus. Zudem bietet ein Anfang 2018 eröffnetes Tagungszentrum Platz für Veranstaltungen mit bis zu 400 Personen. Unternehmen können außerdem im Technologie- und Gründungszentrum (TGZ) Räume ganz nach individuellen Bedürfnissen anmieten. Also ein moderner Forschungs- und Arbeitsplatz mit viel Raum für Kreativität.

Der Batterie-Sicherheitscampus ist hochkarätig besetzt und wird aus der Region tatkräftig unterstützt. Zu den Akteuren gehören die Allianz für die Region GmbH, die CUTEC-Institut GmbH, das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut, das Energie-Forschungszentrum Niedersachsen und die Technische Universität Clausthal.

Sicher und leistungsstark – Goslar forscht für die Batterien der Zukunft
Es gibt Akkus, die laufen heiß und explodieren – alles schon passiert. Ein bekannter Smartphone-Hersteller musste deswegen sogar eine komplette Produktlinie zurückrufen. Wie so etwas vermieden werden kann, daran wird in Goslar geforscht: auf dem Batterie-Sicherheitscampus.

Sicherheit und Leistung – die Quadratur des Kreises?

Wir versuchen mit dem Thema Batteriesicherheit und dem Batterie- und Sensoriktestzentrum ein Schwerpunktthema zu etablieren, das einmalig ist in der bundesdeutschen Forschungslandschaft“, sagt Professor Wolfgang Schade, Abteilungsleiter für Faseroptische Sensorsysteme am Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut in Goslar und gibt Einblicke in seine Forschungsschwerpunkte und Zukunftsfragen: Derzeit werden in Industrie und Technik am häufigsten Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Die können sich aber unter bestimmten Bedingungen zu einem Risiko entwickeln. „Lithium brennt als Metall unter Lufteinschluss und ist nur sehr schwer zu löschen“, so Professor Schade. Gerade beim Einsatz in Autos oder Handys eine echte Gefahr, wie jüngst der Fall der von Samsung zurückgerufenen Smartphones eindrucksvoll zeigte. „Man sollte sich der Gefahr bewusst sein. Wir versuchen deshalb hier am Batterie-Sicherheitscampus, für das Thema zu sensibilisieren, und entwickeln eine Sensorik, die früh erkennt, wenn Batterien in einen kritischen Zustand geraten.

„Unsere Sensorik soll früh erkennen, wenn Batterien in einen kritischen Zustand geraten“

(Professor Wolfgang Schade vom Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut)

Ein ebenso wichtiges Thema ist der so genannte Second-Life-Use von Batterien. Lithium-Ionen-Batterien in Fahrzeugen sollen ersetzt werden, sobald ihre Kapazität unter 80 Prozent fällt. Aber unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten – die Batterie stellt immerhin das teuerste Bauteil eines Elektrofahrzeuges dar – ist die Weiterverwendung für andere Zwecke sinnvoll und machbar. Ausgemusterte Autoakkus können beispielsweise noch als Hausspeicher für Photovoltaikanlagen dienen. „Durch die Weiterverwendung von Fahrzeugbatterien würden die Kosten natürlich auch sinken“, sagt Professor Schade. Zudem sei nicht nur die Weiterverwendung, sondern auch das Recycling von Batterien ein enorm wichtiges Thema. Der Batterie-Sicherheitscampus befasst sich darüber hinaus mit Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien. „Zink-Luft-Batterien sind hier sehr interessant, da Zink in nahezu unbegrenzten Mengen vorhanden ist.

Ganz schön geladen – so werden Batterien wieder frisch

Batterien sollen nicht nur sicher sein, sondern auch schnell aufgeladen werden können. Jedoch kann dies ihre Lebensdauer und Leistung beeinträchtigen. Eines der Forschungsgebiete von Professor Schade im Batterie- und Sensoriktestzentrum stellt daher das effiziente Laden von Batterien dar. „Wir führen Zyklisierungsversuche mit Batterien durch, bei denen wir die Batterien 100- oder 1.000-mal laden. Mal schneller, mal langsamer. Basierend darauf erarbeiten wir Algorithmen für effizientes Laden. Das impulsgesteuerte Laden ist beispielsweise effizienter als kontinuierliches Laden.“ Wichtig ist auch, die Temperatur in den Batteriemodulen ständig zu überwachen, denn die Batteriezellen sollten nicht heißer als 45 Grad werden. Auch hier gibt es Lösungen, beispielsweise Luft- oder Wasserkühlsysteme.

Schon heute Lösungen für die Welt von morgen

Mit seinem Forschungsschwerpunkt ist das Batterie- und Sensoriktestzentrum nah dran an den technischen Fragen der Gegenwart und Zukunft – auch was die derzeit hoch nachgefragten erneuerbaren Energien angeht. Da Strom aus Wind- und Sonnenenergie erhebliche Schwankungen im Stromnetz produziert, müssen diese für eine stabile Stromversorgung von Haushalten und Industrie ausgeglichen werden. Ein intelligentes Verbundnetz aus Batterien könnte hier Abhilfe schaffen.

Genauso wichtig sind die Erkenntnisse aber auch für die Elektromobilität – unsere künftige Alternative zu Benzin und Diesel. Die Forschenden des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts und der TU Clausthal arbeiten an Hochleistungsbatterien. Ihr Ziel ist ehrgeizig: 500 Kilometer Reichweite in zehn Minuten laden. Wie weit ist man noch von diesem Ziel entfernt? „Ich würde davon ausgehen, dass das Ziel in den nächsten fünf Jahren zu erreichen ist. Die Technik von Elektromotoren ist komplett ausgereift, das Problem ist lediglich der Energiespeicher“, sagt Professor Schade, der das Projekt MoBat (Modulare Hochleistungsbatteriesysteme in Verbindung mit sicherer Schnellladetechnik) begleitet. Erreichbar sei das Ziel durch die bereits genannten, intelligenten Ladealgorithmen. Allerdings müsse nun auch die entsprechende Ladeinfrastruktur aufgebaut werden. Auch hier steckt die Tücke bisweilen im Detail: „Für Schnellladestationen muss eine extrem hohe Leistung bereitgestellt werden. Sie benötigen circa 700 Volt und 500 bis 600 Ampère. Porsche möchte ab Sommer Schnellladestationen aufbauen. Aber das geht nicht mit dem, was das Stromnetz zur Verfügung stellt. Auch hier sind Batterien als Pufferspeicher nötig.

Der Batterie-Sicherheitscampus in Goslar bewegt sich mit seinem Forschungsprogramm am Puls der Zeit. Energie für die Zukunft durch sichere Batterien – eng vernetzte Forschung und Expertise vieler Fachleute, konzentriert an einem Ort, machen es möglich.

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