Leistungsstarke Batterien: Zink und Preußisch Blau
Prof. Dr. Fabio La Mantia von der Universität Bremen
Von Melanie Jülisch
Von der Elektromobilität über die Medizin bis hin zum Antrieb für Wärmepumpen: Um überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energien wie Photovoltaik oder Windkraftanlagen effizient lagern zu können, benötigt man leistungsfähige Zwischenspeicher. Daher gelten Batterien als Schlüsseltechnologie der Energiewende. Doch wie können alltagstaugliche Lösungen für starke, langlebige Produkte aussehen? Mit Hochdruck arbeiten deshalb Forschende in der U Bremen Research Alliance an Alternativen für die bisherigen Modelle. Einer von ihnen ist Prof. Dr. Fabio La Mantia von der Universität Bremen. Seit 16 Jahren ist der gebürtige Italiener in der Grundlagenforschung tätig, zunächst in Bochum, seit elf Jahren in Bremen. „Hier besteht die Möglichkeit, nicht nur klein im Labor zu agieren und die Batterien mithilfe von Algorithmen zu überwachen und an neuen Materialien zu forschen, sondern auch anwendungsorientiert mit nahegelegenen Industriebetrieben zusammenzuarbeiten. Das war mir sehr wichtig“, so der Chemieingenieur, der Gruppenleiter eines zwölfköpfigen Teams, zusammengesetzt aus Forschenden des Fraunhofer-Instituts und der Uni Bremen. Gleichzeitig ist er als Professor an der Uni tätig. Abteilungsleiter für Elektrische Energiespeicher am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM ist der Physiker Dr. Julian Schwenzel, der bereits vor 20 Jahren über Batterien promovierte – und damit seiner Zeit weit voraus war.
Verschiedene Instrumente werden für die Forschungen benötigt.
Das Lithium-Problem
„Zwischenspeicher sind nicht kontinuierlich in Betrieb, sondern nur für eine bestimmte Zeit. Es gibt gerade bei Sonne und Wind viele Schwankungen, daher muss man es irgendwie regeln –gleichzeitig darf es nicht zu teuer sein“, so La Mantia. „Die bisherigen Batterie-Typen basieren oftmals auf Lithium, das oft nicht nur aus problematischen Ländern stammt, sondern dessen Beschaffung auch teuer ist. In unseren Forschungen geht es deshalb auch um die Verfügbarkeit von Materialien in Deutschland und Europa. Wir entwickeln neue Möglichkeiten der Zwischenspeicherung als Alternative zum Lithium, beispielsweise mit einer neuen Chemie basierend auf Zink, Wasser und Preußisch Blau-Analoga.“ Getestet werden die neuen Technologien unter anderem auf ihre Speicherkapazität, die Ladefähigkeit und ihre Lebensdauer.
Mehr Sicherheit
Laptop, Smartphone oder E-Bike – immer wieder liest man von brennenden Akkus. Daher geht es in den Forschungen an der Uni Bremen neben der Leistungsfähigkeit von Batterie-Alternativen auch um sicherheitsrelevante Themen. „Zink ist nicht nur billiger und leichter verfügbar als Lithium – es ist auch deutlich sicherer und nicht brennbar“, weiß Prof. Dr. La Mantia, dessen Arbeit 2017 mit einem der renommierten ERC-Grants des Europäischen Forschungsrats ausgezeichnet worden ist. Das liegt auch daran, dass keine flüssigen Elektrolyten zum Weiterleiten des Stroms darin verbaut werden, sondern Festkörper. Fest statt flüssig sind beispielsweise Sulfide oder Polymere. Zu diesem Thema arbeitet die Abteilung von Dr. Julian Schwenzel am Fraunhofer IFAM seit sechs Jahren.
Batterien auf der Basis von Zink.
Eine dynamische Welt
Und wann wird die Zink-Ionen-Technologie zum Einsatz kommen? „Es kann noch etwa fünf bis zehn Jahre dauern, bis sie kommerzialisiert ist. Und es gibt in Deutschland tatsächlich schon einige Start-ups, die damit arbeiten“, so La Mantia. Hinzu kommt: Unterschiedliche Einsatzorte haben unterschiedliche Ansprüche an die Speicher. So spielt beispielsweise in der Elektromobilität das Gewicht eine Rolle, an festen Anwendungen wie in der Zwischenspeicherung ist es von geringer Bedeutung. „Die Welt der Batterie ist besonders dynamisch und entwickelt sich in viele Richtungen.“ Auch Nachhaltigkeit spielt eine herausragende Rolle, daher forscht das Team am Fraunhofer IFAM auch zum Recycling neuer Batterietechnologien: alte Batterien in ihre Bestandteile zerlegen und deren Rohstoffe erneut verwenden.
Zur Info ...
Die neuartige wasserbasierte Zink-Ionen-Batterie wurde durch die Patentanmeldung Nr. DE102024202934A1 geschützt.
Die Patentanmeldung mit dem Titel „Novel Dual-Ion Zinc-based Batteries Employing Optimized Metallic Substrates for Zinc Electrodeposition” wurde am 27.03.2024 gemeinsam von der Universität Bremen und der Fraunhofer Gesellschaft IFAM eingereicht und zur weiteren Forschung und Entwicklung bis hin zur kommerziellen Anwendung an das innovate! Zentrum MaTeNa lizensiert. Erfinder sind Prof. Fabio La Mantia, Dr. Giorgia Zampardi, Dr. Michele Tribbia (Universität Bremen) sowie Prof. Busse und Dr. Glenneberg vom IFAM.
Die InnoWi als Patentverwertungsagentur der Universität Bremen unterstützte die wissenschaftliche Arbeitsgruppe bei allen Schritten – von der Erfindungsmeldung über die Patentrecherche und Patentanmeldung bis zur Lizenzierung – und ist auch weiterhin für das Patentportfolio des Zentrum MaTeNa zuständig.
