Was kommt nach Lithium-Ionen-Batterien, welche neuen Materialien werden für künftige Batterie-Generationen gebraucht und lassen sich über Batterieprozesse auch Materialien mit neuen Funktionseigenschaften erzeugen? Diese Fragen beschäftigen Oliver Clemens, seit dem Wintersemester 2020/21 Professor für Chemische Materialsynthese am Institut für Materialwissenschaft der Universität Stuttgart.
Lithium-Ionen-Batterien sind weit verbreitet und bei sachgemäßem Umgang langlebig und sicher. Sie stoßen aber derzeit noch an ihre Grenzen, wenn kurze Ladezeiten mit hohen Stromdichten erreicht werden sollen. „Für stationäre Großspeicheranlagen sind sie schlichtweg zu teuer und stellen dort derzeit höchstens eine Überbrückungslösung zur Netzstabilisierung dar“, sagt Oliver Clemens.
Chance Fluid-Batterien
Als eine mögliche Nachfolgetechnologie erforscht der 38-jährige Materialwissenschaftler unter anderem Fluorid-Ionen-Batterien. Diese sind interessant, wenn große stationäre Energiespeicher gebraucht werden, wie es zum Beispiel künftig bei steigendem Anteil nachhaltiger Technologien bei der Stromerzeugung der Fall sein wird. Die Technologie steckt allerdings noch in den Kinderschuhen, meint Clemens, „wir sehen aber durchaus Potential hinsichtlich der Schonung und Verteilung zukünftiger Ressourcen.“
Ein weiteres Forschungsinteresse der Gruppe um Oliver Clemens richtet sich auf Feststoffbatterien, eine spezielle Bauform, bei der der Elektrolyt nicht aus einer Flüssigkeit, sondern aus festem Material besteht. Sie gelten als Zukunftstechnologie, um elektrische Fortbewegung massentauglich zu machen – insbesondere verspricht man sich eine Verbesserung der Betriebssicherheit sowie schnelleres Laden. Und schließlich beschäftigt sich die Gruppe auch mit Recycling-Strategien. „Im Mittelpunkt steht dabei die Frage, wie man aus End- beziehungsweise Zwischenstufen des Recyclingprozesses wieder funktionale Materialien herstellen kann. Unser Ziel ist es, noch vor der Markteinführung neuer Materialien und Anwendung besonders recycling-effiziente Materialkombinationen zu betrachten.“
Materialfunktionen ein- und ausschalten
Eines haben die künftigen Batterie-Technologien gemeinsam: Für ihre Realisierung sind neue Materialien erforderlich. Die Verbindungen, die hierbei infrage kommen, reichen von Perowskiten und ihren Derivaten über Materialien mit Ruddlesden-Popper-artiger Struktur bis hin zu Festelektrolyten auf Granatbasis. Viele dieser Materialien haben komplementäre funktionale Eigenschaften, wie zum Beispiel eine magnetische Ordnung oder Supraleitfähigkeit. Die Kopplung solcher Eigenschaften an elektrochemische Reaktionen eröffnet einen Weg zu abstimmbaren funktionalen Eigenschaften. „Im Kontext der Batterien untersuchen wir daher auch die Veränderung und das Schalten von Materialeigenschaften“, erklärt Clemens. „So können wir zum Beispiel die Supraleitfähigkeit oder den Magnetismus von geeigneten Verbindungen in unseren Batterien ein- beziehungsweise ausschalten.“ Das ist Grundlagenforschung pur, ermöglicht aber auch verschiedene Anwendungen. Beispiele sind die spinbasierte energieeffiziente Elektronik oder die Datenspeicherung.
Auch andere katalytische Prozesse im Blick
Im Kontext der Brennstoffzellenforschung und darüber hinaus richtet Clemens das Augenmerk auf die Darstellung von katalytisch aktiven Materialien und die nachträgliche Optimierung von deren Eigenschaften. Ziel ist es dabei, neue Materialien durch geringfügige Änderungen der Zusammensetzung mit verbesserten katalytischen Eigenschaften zu entwickeln.
Bild ganz oben: Prof. Oliver Clemens an einer Handschuhbox (Glove-Box), in der luftempfindliche Proben sicher verarbeitet und aufbewahrt werden können. Foto: Uli Regenscheit/Universität Stuttgart
