Tüfteln an der Batterie der Zukunft

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Batterien und Akkus sollen immer leichter werden – und immer leistungsstärker. Der Gießener Chemiker Jürgen Janek ist einer der führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet. Unter seiner Leitung tüfteln 40 Forscher an den Energiespeichern der Zukunft. Er kann auch erklären, warum Smartphones in Flammen aufgehen.

Vier dicke schwarze Arme mit Wurstfingern ragen aus der Glasscheibe eines Kastens heraus, als wären sie zum Gruß ausgestreckt. Die Arme sind allerdings aus Kunststoff – und dienen der Wissenschaft. Ein Chemiker in einem weißen Kittel tritt an den Kasten. Dann steckt er seine Hände tief in zwei der überdimensionierten Arme. Er verwendet sie wie Handschuhe, um in der Box mit sorgfältigen Griffen zu werkeln. "Wir setzen hier unter Argon-Atmosphäre Batteriezellen zusammen", erklärt Jürgen Janek. "Das Edelgas Argon macht es möglich, dass man mit Lithium problemlos arbeiten kann. Sauerstoff und Feuchtigkeit dagegen setzen den Lithium-Akkus zu."

Der Chemieprofessor Janek ist einer der führenden Experten auf dem Gebiet der Batterie-Forschung. Im ersten Stock des Chemie-Neubaus am Heinrich-Buff-Ring tüfteln 40 Forscher unter seiner Leitung vor allem daran, Alternativen für den Lithium-Ionen-Akku zu finden.

"Vor 25 Jahren kam diese Akku-Technologie auf den Markt", erklärt Janek. "Seitdem hat sich die Energiedichte der Akkus vervierfacht." Allmählich aber erreiche die Entwicklung der Energiedichte ihr Limit. "Besonders die Smartphone-Hersteller sind massiv daran interessiert, Akkus mit möglichst hoher Energiedichte zu verbauen", hält der Chemiker fest. Auf so kleinem Raum sei aber mehr Akkuleistung kaum noch aus der Technologie herauszuholen. Dass im vergangenen Jahr Smartphones des Herstellers Samsung in Flammen aufgegangen sind, sei nur eine logische Folge dieser Entwicklung. "Die Lithium-Ionen-Technologie stößt im Bereich der Smartphones erkennbar an ihre physikalisch-chemischen Grenzen."

Beim Elektroauto gebe es noch Potenzial. Im Gegensatz zum Smartphone sei in Fahrzeugen der Raum nicht so begrenzt, und die Reichweite von Elektroautos werde sich weiter verbessern. "Eine Verdopplung der Leistungssteigerung der Batterie wird es aber wohl nicht mehr geben."

Das Ziel ist daher klar: Es wird Zeit, sich von der Ionen-Lithium-Batterie zu verabschieden. Wir werden zwar noch lange mit der Technologie arbeiten, aber neue Batterien brauchen langen Vorlauf", sagt er. "Eine echte Alternative ist aber noch nicht absehbar", hält Janek fest. "Wir suchen weiter. Niemand erwartet eine Super-Batterie. Und physikalisch-chemisch wird es sie vermutlich auch nicht geben können."

Druck vonseiten der Industrie spüre er nicht, sagt der Gießener Wissenschaftler. "Ich sehe die Industrie selbst in der Verantwortung, mehr zu tun. An allen Ecken und Enden werden bessere Akkus gefordert."

Ein wichtiger Teil der Forschung Janeks ruht hinter massiven Türen in einem Schrank in einem Labor des Chemie-Neubaus. Unzählige Batterien liegen übereinander gestapelt, werden ständig aufgeladen und wieder entladen. Doktoranden haben in den Zellen unter anderem neue Materialien verbaut und analysieren deren Eignung.

Eine Möglichkeit zur Leistungssteigerung von Akkus und zur Erhöhung der Sicherheit sieht Janek im Elektrolyt. Dabei handelt es sich um die Flüssigkeit, durch die sich in der Batterie die geladenen Lithium-Teilchen bewegen. Wenn sich eine Batterie überhitze, wie bei Samsungs Galaxy Note 7, könne die Flüssigkeit in Flammen aufgehen. Eine Feststoffbatterie auf Basis von rein keramischen Komponenten sei daher eine mögliche Lösung, erklärt Janek. "Die Idee ist: Wir entwickeln eine Batterie, die nur aus festen Komponenten besteht." Daran tüfteln die Gießener Forscher seit Jahren in Zusammenarbeit mit BASF und mit einem Labor am Karlsruher Institut für Technologie, das Janek als externer Direktor leitet. Für internationales Aufsehen in der Forschung sorgten Janek und Kollegen vor fünf Jahren mit ihrer Entdeckung der Eignung von Natrium-Sauerstoff-Zellen.

Ob und welche Technologie am Ende die herkömmlichen Energiespeicher ablösen wird, dürfte sich allerdings erst in mehreren Jahren abzeichnen, betont Janek. Seit 1999 forscht und lehrt der 52-Jährige an der Justus-Liebig-Universität. Auf die Frage, was ihn motiviere, erklärt der gebürtige Niedersachse: "Es ist das Neue und das Langfristige." Es gehe ihm auch darum, die Energiewende mit vorzubereiten. "Das hat mich schon immer fasziniert."

Forschung sei immer "eine Reise ins Unbekannte", sagt er. "Man steckt nicht einfach Geld in ein Projekt und erwartet dann ein Ergebnis nach einem halben Jahr." Man müsse eher in Jahrzehnten denken. "Das ist eine der wichtigsten Lehren, die ich meinen Studenten vermitteln will: Das Scheitern gehört dazu. Wissenschaftler brauchen eine hohe Frust-Resistenz."

Quelle: Gießener Allgemeine

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