Batterien aus Kunststoffen weiterentwickeln und für neue Anwendungen erschließen
Eine Dünnschichtbatterie im CEEC Jena mit gedruckter polymerbasierter Elektrode. Foto: Jan-Peter Kasper/FSU
Die Entwicklung nachhaltiger und umweltschonender Energiespeicher ist
neben der Nutzung von erneuerbaren Energiequellen eine der größten
Herausforderungen, um die Energiewende realisieren zu können. Der
„Wettstreit“ um das beste Speicherkonzept hat längst in Wirtschaft und
Wissenschaft begonnen. Nun will die Deutsche Forschungsgemeinschaft
(DFG) es deutschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern
ermöglichen, eine weltweit führende Rolle in diesem aufstrebenden Gebiet
auf- und auszubauen. Die DFG hat dazu heute die Einrichtung des
Schwerpunktprogramms "Polymer-basierte Batterien" (SPP 2248) verkündet,
das in den kommenden sechs Jahren mit über 12 Mio. Euro gefördert wird.
Koordinator des Programms ist Prof. Dr. Ulrich S. Schubert vom "Zentrum
für Energie und Umweltchemie" (Center for Energy and Environmental
Chemistry Jena / CEEC Jena) der Friedrich-Schiller-Universität Jena.
Neben Jena sind die Universitäten in Bochum, Dresden, Freiburg und
Karlsruhe im Koordinationsteam beteiligt.
Meilenstein für die Batterieforschung
Das Schwerpunktprogramm (SPP) wird die lokal verstreuten Aktivitäten
in Deutschland zusammenführen und die Forschung zu neuen organischen
bzw. polymeren Materialien für die Energiespeicherung fördern. "Die
Einrichtung des beantragten Schwerpunktprogrammes durch den Senat der
DFG stellt einen Meilenstein für das CEEC Jena und die Batterieforschung
in Deutschland dar", sagt Ulrich S. Schubert. "Nun können die
in Deutschland vorhandenen Expertisen auf dem Feld der
Polymer-basierten, druckbaren Metall-freien Batterien gebündelt werden,
um für neuartige Anwendungen im Gesundheitswesen, der Sensorik und des
Internets der Dinge Energiespeicher zu entwickeln", so der Jenaer Chemiker und Materialwissenschaftler.
Nachhaltige und umweltschonende Energiespeicher
Das Forschungsprogramm wird sich Polymerbatterien widmen, die neue
Anwendungsmöglichkeiten erschließen sollen, die mit den bisher
eingesetzten "alten" Batteriekonzepten nicht adressierbar sind. Die
innovativen Batteriesysteme auf Kunststoffbasis haben gegenüber den
etablierten klassischen Lithium-Ionen-Batterien zahlreiche Vorzüge.
Aufgrund der Verwendung von organischen und polymeren Materialien können
Vorteile im Hinblick auf die notwendige Energie für die Herstellung,
beim Recycling und bei der Anwendung, etwa als flexible und druckbare
Batterien, erreicht werden. Insbesondere Batterien mit Polymeren als
aktives Elektrodenmaterial bieten die Möglichkeit, die oft eingesetzten
Schwermetalle in vielen Anwendungen zu ersetzen und sind daher
nachhaltiger. "Die definierten Strukturen von organischen und
polymeren Materialien erlauben verlässliche
Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und daher eine sehr gut
kontrollierbare und einstellbare Elektrochemie", sagt Prof.
Schubert. Zusätzlich können Polymer-basierte Batterien einzigartige
Eigenschaften aufweisen, wie das Laden innerhalb von wenigen Minuten
oder sogar Sekunden, Verarbeitbarkeit der Elektroden bei vergleichsweise
niedrigen Temperaturen, wodurch die Kohlenstoffbilanz verbessert wird,
und die Druckbarkeit der Batterien, nennt er weitere Vorteile.
Fünf Bereiche werden von den beteiligten Partnern im Schwerpunktprogramm "Polymer-basierte Batterien" untersucht:
- die Modellierung für die Identifizierung von vielversprechenden Materialien,
- das grundlegende Verständnis der ablaufenden (Redox-)Prozesse und möglicher Nebenreaktionen,
- das Design und die Synthese von redoxaktiven Polymeren,
- die Entwicklung von neuen Elektrolyten,
- die detaillierte Charakterisierung für die Aufklärung der in den Kompositen ablaufenden Prozesse.
Prof. Schubert ist optimistisch, dass dank des neuen SPP weitreichende und wichtige Innovationen in diesem für Wissenschaft und Wirtschaft wichtigen Feld gemacht werden. Diese basieren, wie er betont, auf den bisher erreichten wissenschaftlichen Erfolgen, die teilweise durch finanzielle Unterstützung von Partnern möglich wurden. "Damit zahlt sich auch das große Investment des Freistaates Thüringen in diese Forschungsrichtung aus", dankt er stellvertretend der Politik.