Energiespeicherung ist eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Die Energiewende kann nur mit umweltfreundlicheren Alternativen zu gebräuchlichen Energiespeichersystemen gelingen. Diese müssen eine höhere Energieeffizienz aufweisen und dabei möglichst kostengünstig sein. Innovative Konzepte für neue Batterien werden am Center for Energy and Environmental Chemistry Jena (CEEC Jena) der Friedrich-Schiller-Universität Jena entwickelt. Ziel des CEEC Jena-Direktors Ulrich S. Schubert ist es u. a., sichere und nachhaltige Batterien zu entwickeln, die ohne Vanadium, Kobalt oder Seltene Erden auskommen. So müssen bei der Entwicklung – angefangen bei den Rohstoffen über die Herstellung bis hin zum Recycling – sämtliche Aspekte berücksichtigt werden. Birgit Megges und Michael Reubold befragten Ulrich S. Schubert zu seinen eigenen Forschungsarbeiten sowie dem Stand und der Zukunft der Batterieforschung in Deutschland.

Herr Professor Schubert, die Energiewende hat die Elektrochemie wieder ins Rampenlicht gerückt, nachdem Forschung, Entwicklung und Produktion auf diesem Gebiet in Deutschland an Bedeutung verloren hatten. Wo stehen wir heute im internationalen Vergleich?

Ulrich S. Schubert: In den letzten zehn Jahren ist erkannt worden, dass die Elektrochemie auch in der Lehre wieder eine wichtige Rolle spielen muss. So wurden Studiengänge reformiert beziehungsweise neue Studiengänge mit Bezug zur Elektrochemie oder allgemein zu Energie und Umweltaspekten geschaffen. Deutschland ist nach wie vor ein Vorreiterland bei der Nutzung der erneuerbaren Energien. 

„Am CEEC Jena beschäftigen wir uns mit neuen elektro-
chemischen Energiespeichertechnologien auf Basis
von gut verfügbaren Rohstoffen.“

Die Elektrochemie soll Batteriesysteme weiterentwickeln oder kann die Umwandlung von regenerativen Energien in Gas ermöglichen, um den so gewonnenen Strom für flexible Nutzung zu speichern. An welchen Themen arbeiten Sie diesbezüglich am CEEC Jena?

U. S. Schubert: Am CEEC Jena beschäftigen wir uns mit neuen elek­trochemischen Energiespeichertechnologien auf Basis von gut verfügbaren Rohstoffen. 
Hierbei reicht die Bandbreite in der Forschung von Superkondensatoren über teils druckbare flexible Polymerbatterien bis hin zu Batteriesystemen für große stationäre Speicher wie organische/polymerbasierte Redox-Flow-Batterien beziehungsweise Natrium-Nickel-Chloridbatterien am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS. Im Transregio TRR 234 CataLight beschäftigen sich Forschende in Jena zusammen mit Forschenden an der Universität Ulm mit der fotokatalytischen Wasserstoffherstellung. Hierbei kann direkt das Sonnenlicht durch molekulare Katalysatoren zur Herstellung des Wasserstoffs genutzt werden – es ist keine Kopplung einer Solarzelle mit der elektrochemischen Wasser­elektrolyse notwendig.

Ihr Ansatz ist es, die bislang gebräuchlichen kritischen Stoffe durch umweltfreundliche und in Europa verfügbare Alternativen aus Keramiken, Polymeren oder Glas zu ersetzen. Müssen Sie dabei Kompromisse hinsichtlich der Energieeffizienz oder höhere Kosten in Kauf nehmen?

U. S. Schubert: Nein. Durch den Einsatz von gut verfügbaren Alternativen – zum Beispiel Natrium anstelle von Lithium, organische Materialien anstelle von Kobalt oder seltenen Erden – ist es prinzipiell möglich, die notwendigen Materialien auch kostengünstig herzustellen. Die zukünftigen Kosten sind auch bereits ein Aspekt bei unseren Forschungsarbeiten, beispielsweise bei der Auswahl der Rohstoffe und der Synthesemethoden. Auch erlaubt der Einsatz von organischen Materialien die Nutzung von weniger energieintensiven Herstellungsprozessen. Die neuen Batteriesysteme können teilweise auch die etablierten Technologien bei manchen Aspekten übertreffen. So ist es zum Beispiel möglich, flexible polymerbasierte Batterien innerhalb weniger Minuten, teilweise sogar Sekunden, voll zu laden.

„Die druckbaren Polymerbatterien sind schon
im größeren Maßstab herstellbar.“

Sie haben elektrochemische Batteriesysteme auf Basis von Kunststofflösungen entwickelt. Wie funktionieren sie, und welche Vorteile bieten derartige Systeme zur Energiespeicherung?

U. S. Schubert: In diesen Batteriesystemen werden Redox-aktive Polymere als Aktivmaterial genutzt – diese können entweder oxidiert beziehungsweise reduziert werden, das heißt, sie können auf diese Weise den Strom speichern. Herkömmliche anorganische Aktivmaterialien können ersetzt werden und prinzipiell können derartige Aktivmaterialien – bestehend aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und so weiter – zukünftig auch aus erneuerbaren Ressourcen hergestellt werden. Wie schon bereits erwähnt, können diese Materialien teilweise auch sehr schnell geladen werden.

Neben der Herstellung neuartiger Energiespeichermaterialien untersuchen Sie auch ihre Beschaffenheit und elektrochemischen Eigenschaften. Derzeit errichtet die FSU Jena die beiden Forschungsneubauten CEEC Jena II und AWZ CEEC Jena, welche 2023 bezugsfertig sein sollen. Über welche Möglichkeiten wird das CEEC Jena dann verfügen?

U. S. Schubert: Mit der Fertigstellung der beiden Neubauten wird im Landgrafengebiet in Jena ein kleiner Forschungscampus entstehen. Das CEEC Jena verfügt dann über größere Kapazitäten im Hinblick auf die Synthese und Charakterisierung von neuen Aktivmaterialien. Insbesondere die detaillierte Untersuchung der Materialien und der ablaufenden Prozesse in diesen ist ein sehr wichtiger Aspekt für eine gezielte Weiterentwicklung. Dies wird dann über viele Längenskalen möglich sein – angefangen auf der molekularen Ebene bis hin zu Elektroden oder kompletten Zellen. Es wird in den Neubauten zum Beispiel auch eine extrem leistungsstarke Cryo-Transmissionselektronenmikroskopie aufgebaut werden. Im AWZ CEEC Jena wird es ein kleines Technikum geben, welches dann auch die Herstellung von Materialien im größeren Maßstab erlauben wird – dies ist ein wichtiger Schritt im Hinblick auf eine kommerzielle Nutzung der neuen Technologien.

Neben dem Neubau CEEC Jena II wird es auch ein Anwendungszentrum geben, in dem Forschungsergebnisse direkt zur Industriereife gebracht werden sollen. Mit welchen Verfahren zu Herstellung polymerbasierter Batterien befassen Sie sich heute, und für welche Anwendungsfelder kommen die Batterien infrage?

U. S. Schubert: Bei den polymerbasierten Batterien beschäftigen wir uns mit zwei verschiedenen Batterie­typen. Zum einen untersuchen wir intensiv Polymer-Redox-Flow-Batterien, kurz Polymer-RFB. Bei diesen Batterien liegt das Aktivmaterial in Lösung vor. Durch den Einsatz der großen Makromoleküle können einfachere Dialysemembranen in den Zellen der RFB verwendet werden. Dieser Batterietyp ist für große stationäre Energiespeicheranwendungen geeignet. Zum andern beschäftigen wir uns auch mit kleinen, flexiblen und druckbaren Polymerbatterien. Diese eignen sich für zukünftige Anwendungen im Internet-der-Dinge beziehungsweise für kleine Sensorsysteme oder für intelligente Bekleidung, sogenannte „Smart Textiles“. Direkt neben die beiden universitären Neubauten kommt dann auch noch ein 3.000 m² großer Inkubator-Neubau, um die Translation in Ausgründungen und Ansiedelungen von Firmen zu beschleunigen und zu verstärken. Gebaut und betrieben vom Technologie- und Innovationspark Jena.

„Das Recycling von Batterien nimmt an Bedeutung zu – nicht
nur im Hinblick auf eine nachhaltigere Nutzung der Batterie-
systeme, sondern auch im Hinblick auf knappe Ressourcen.“

Wann werden solche Batterien großtechnisch herstellbar und massenhaft verfügbar sein?

U. S. Schubert: Die bereits genannten druckbaren Polymerbatterien sind schon im größeren Maßstab herstellbar und erste Aktivmaterialien werden von Evonik Industries präkommerziell vertrieben.

Sie koordinieren unter anderem das Schwerpunktprogramm SPP 2248 „Polymerbasierte Batterien“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG. Welche Ziele stehen dabei im Vordergrund?

U. S. Schubert: Im SPP 2248 beschäftigen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus ganz Deutschland in 13 Projekten mit dem Design und der Synthese neuartiger Aktiv­materialien für polymerbasierte Batterien und es sollen Struktur-Eigenschaftsbeziehungen aufgeklärt werden. Zusätzlich werden hier neue Elektrodenmaterialien und auch Elektrolyte untersucht. Hierbei ist es das Ziel, höhere Kapazitäten und Lebenszeiten zu erreichen. Im SPP arbeiten daher verschiedene Disziplinen zusammen – von der Modellierung oder Simulation über die Synthese bis hin zur detaillierten Charakterisierung; insbesondere werden hierbei auch operando- oder in-situ-Methoden angewendet, welche einen tiefergehenden Einblick in die ablaufenden Prozesse erlauben. Im Rahmen des SPP 2248, aber auch direkt in einem JointLab mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin, widmen wir uns intensiv diesen operando-Untersuchungen.

Gibt es im Rahmen Ihrer wissenschaftlichen und industriellen Forschungskooperationen weitere Ansatzpunkte für die Herstellung elektrochemischer Energiespeichersysteme? Oder anders gefragt: Welche aktuellen Trends beobachten Sie in der Batterieforschung?

U. S. Schubert: In der aktuellen Batterieforschung gibt es derzeit verschiedene Trends. Eine Richtung der Forschung ist klar technologiegetrieben. Bei der Elektromobilität sehen wir deutlich die bestehenden Limitierungen besonders im Hinblick auf die Energiedichte und damit verbunden mit der Reichbarkeit der Elektroautos. So liegt der Fokus auch hier weiterhin sehr stark auf neuen Technologien mit wesentlich höheren Energiedichten, wie zum Beispiel Metall-Luft-, Lithium-Schwefel- und weiteren Batterien – auch wenn diese noch ein Stück von einer kommerziellen Anwendung entfernt sind. Das Recycling von Batterien nimmt an Bedeutung zu – nicht nur im Hinblick auf eine nachhaltigere Nutzung der Batteriesysteme, sondern auch im Hinblick auf knappe Ressourcen. Wir werden langfristig um eine zirkulare Nutzung nicht herumkommen. Damit verbunden ist auch die Suche nach neuen Batterietechnologien. Die ­Lithium-Ionen-Batterie ist heutzutage ein etabliertes System und wird von kleinen mobilen Anwendungen von Handys und Laptops über Elektrofahrzeuge wie E-Scooter, E-Autos oder Elektro-LKW bis hin zu stationären Energiespeichern, von der Batterie im Eigenheim bis hin zu großen Lagerhallen voll von Speichern, genutzt. Nur langfristig wird dies im noch größeren Maßstab nicht mehr möglich sein – hier bedarf es für einzelne Anwendungsbereiche, zum Beispiel den stationären Energiespeichern, andere nachhaltige, kostengünstige Alternativen.

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Zur Person

Ulrich S. Schubert  (52) ist seit 2007 Professor und Lehrstuhlinhaber für 
Organische und Makromolekulare Chemie an der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Er ist Gründer und Direktor des Jena Center for Soft Matter (JCSM) und des Center for Energy and Environmental Chemistry Jena (CEEC Jena). Schubert absolvierte sein Chemiestudium in Frankfurt, Bayreuth, Richmond/Virginia und Tampa/Florida. Er promovierte 1995 an der Universität Bayreuth und war Postdoc bei Chemie-Nobelpreisträger Jean-Marie Lehn an der Université Louis Pasteur Strasbourg. Nach der Habilitation an der Technischen Universität München nahm er Professuren an der Ludwigs-Maximilians-Universität München und der Technischen Universität Eindhoven an. Schubert hat zahlreiche wissenschaftliche Auszeichnungen erhalten, ist gewähltes Mitglied bei der Nationalen Deutschen Akademie für Technikwissenschaften (Acatech), externes Mitglied der Max-Planck-Gesellschaft und ist Träger des Bundesverdienstkreuzes am Bande.

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