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Großforschung für Batterien der Zukunft
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Am KIT arbeiten 200 Wissenschaftler an Hochleistungs-Akkumulatoren
Am Karlsruher Institut für Technologie arbeitet ein Kompetenzteam mit über 200 Experten an Entwicklungen rund um die Elektromobiltät. Es geht um die Analyse der gesamten Produktionskette: von der Chemie bis hin zum fertigen Batteriesystem. Das Ziel: die drastische Senkung der Herstellungskosten leistungsstarker Lithium-Ionen-Batterien auf 250 € pro Kilowattstunde.
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Am KIT sind die Arbeiten von Wissenschaftlern unterschiedlicher Forschungsinstitute in das Kompetenzzentrum integriert. An einer Ultra-Hoch-Vakuumanlage analysieren Wissenschaftler verschiedenste Materialien, um die optimale Zusammensetzung für die Elektrodenbeschichtung und die Separatoren zu finden. Am Institut für Thinfilm-Technologie gehen sie der Frage nach, wie sich das Beschichten – also das Aufbringen der Paste auf Folie – im Produktionsprozess beschleunigen lässt. Andere Arbeiten befassen sich mit Fragen, wie Roboterarme die dünnen Folien in der Massenproduktion zerstörungsfrei greifen können, um sie an die nächste Bearbeitungsstation im Herstellungsprozess weiterzugeben.
Bei den Batteriezellen gibt es enormes Einsparungspotenzial: die Zellenfertigung macht fast 50 Prozent der gesamten Batteriekosten aus. Entsprechend groß sind die Möglichkeiten, durch verbesserte Produktionstechnologien Kostensenkungen zu erreichen. Deshalb geht es bei diesen Forschungen nicht nur um Lösungen mit dem Ziel, die Elektronik für das Batteriemanagement zu optimieren, sondern auch um das sogenannte Formieren, das erste Aufladen der Batterie. Ebenso bietet die sogenannte Leckstromprüfung Optimierungspotenzial; sie prüft, ob die Batterie unerwünscht Strom verliert.
© VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau 2011
OLEDs – mühsamer Weg zur Massenfertigung
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Trotz zahlreicher Vorteile im Labor ist die Massenproduktion noch nicht machbar
Rund 16 Prozent der elektrischen Energie wird heute für Beleuchtung eingesetzt – Bedarf steigend. Organische Leuchtdioden, kurz OLEDs, gelten als wichtige Innovation; sie bieten erhöhte Effizienz der Lichterzeugung bei geringem Ressourcenaufwand. Am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme gelang es vor kurzem erstmals, eine 15 Meter lange OLED-Folie prozesstechnisch herzustellen.
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Organische Leuchtdioden sind heute im Labor bereits sehr effizient. Die Licht emittierenden Schichten sind nur ein Tausendstel so dünn wie der Durchmesser eines Haares. Eine Spannung von nur wenigen Volt bringt den organischen Farbstoff zum Leuchten. Die OLED-Technologie erlaubt es zudem, Licht unterschiedlicher Farbe zu erzeugen. Der Einsatz der Technologie reicht daher weit über die reine Beleuchtung hinaus, auch Displays könnten künftig damit zum Leuchten gebracht werden. Sie reagieren zudem auf Berührung, Touch-OLEDs konnten im Labor bereits entwickelt werden.
Die OLEDs sind allerdings wasser- und sauerstoffempfindlich; ihre Produktion muss daher im Hochvakuum erfolgen. Noch fehlt es an geeigneter Massenfertigung. Ein entscheidender Schritt hin zur Massenproduktion wurde im Herbst 2011 am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme erzielt: dem Forschungsteam gelang es, auf einer 15 Meter langen Folie im Rolle-zu-Rolle-Prozess OLEDs herzustellen.
© Fraunhofer-Gesellschaft 2011
OLED: das strahlende Licht der Zukunft
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Infomercial der Siemens AG
Innovative Lichttechnologien lassen die Welt in neuem Glanz erstrahlen und bieten Designern und Architekten gleichzeitig bisher unbekannte Einsatzmöglichkeiten. Für das Licht von morgen hat die Siemens-Tochter Osram eine Pilotanlage für OLED-Technologien in Betrieb genommen.
Osram entwickelt derzeit OLEDs auf der Grundlage organischer Halbleiter. Diese werden in mehreren, sehr dünnen Schichten auf Glas aufgedampft. Sie sind so dünn, dass sie transparent bleiben. Der Chemiker Dr. Bernhard Stapp, bei Osram für Leuchtdioden verantwortlich, erläutert die Strategie des Herstellers. Sie richtet sich auch darauf, die OLED gemeinsam mit Lichtplanern und Designern weiter zu entwickeln. Stapp hat bei Siemens den Ruf eines Vor-und Querdenkers, der schon früh die Bedeutung der OLED-Technologie erkannt hat. Osram will sie in einer Pilotproduktion erproben, die dann bis zur Serien- und Massenfertigung führen soll.
© Siemens AG 2011
Riesenmagnete bringen Teilchen auf Touren
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KIT entwickelt supraleitende Hochfeldmagnete für NMR-Spektroskopie
In Teilchenbeschleunigern analysieren Physiker die kleinsten Bausteine der Welt. Immer sind es gewaltige Magnete, die die Teilchen im Vakuum auf annähernd Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Am Institut für Technische Physik im KIT hat man mit der Entwicklung geeigneter supraleitender Hochfeldmagnete für die Grundlagenforschung, wie sie etwa im CERN vorangetrieben wird, eine wichtige Voraussetzung geschaffen.
Inzwischen gibt es neue Einsatzfelder, in denen diese in Teilchenbeschleunigern erzeugte Strahlung, die sogenannte Synchrotronstrahlung, nicht nur “Selbstzweck” für die physikalische Analyse der darin entstandenen Elementarteilchen ist. Sie kann für unterschiedliche Anwendungen im Bereich der Material- und Werkstoffforschung, ja sogar der Biologie herangezogen werden. Immer dient die hochenergetische Strahlung zur “Durchleuchtung” von Materie im Allerkleinsten, wo herkömmliche Methoden versagen, also im Mikro- oder Nanobereich.
Bei der Synchrotonstrahlung handelt es sich um laserartig fokussierte Strahlung. Sie interagiert mit den Atomen des untersuchten Materials. Mit Hilfe der Kernspinresonanz-Spektroskopie, kurz NMR für nuclear magnetic resonance, lassen sich deren Strukturen im subatomaren Bereich visuell sichtbar machen und analysieren.
Im Institut für Technische Physik des KIT hat man die Entwicklung der hochenergetischen Synchrotronstrahlung mit der Konzeption und dem Bau solcher Hochfeldmagneten seit dreißig Jahren begleitet und maßgeblich mit gestaltet. Der Beitrag stellt die Arbeit der Wissenschaftler und Ingenieure in diesem Teilgebiet vor und zeigt, wie in Coproduktion mit einem Industriepartner hochwertige Serienprodukte für solche Anwendungen entstehen.
© Karlsruher Institut für Technologie KIT 2010
Wettlauf um die Mobilität der Zukunft
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Infomercial der BASF SE
Elektromobilität ist im Trend. Erhebliche Forschungsanstrengungen werden derzeit unternommen, um die Technologie für den Markt wettbewerbsfähig zu machen. Ein zentraler Faktor: die Lithium-Ionen-Batterie. Das Konsortium HE-Lion unter der Federführung der BASF arbeitet an ihrer Weiterentwicklung.
Während die aktuelle erste und zweite Generation der Lithium-Ionen-Batterien bereits in Laptops, Smartphones oder Kameras verwendet wird, muss für die dritte und vierte Generation ein neues und stabileres System entwickelt werden. Entscheidend für den Erfolg der neuen Batterien sind hohe Sicherheit, hohe Kapazität, eine lange Lebensdauer und ein erschwinglicher Preis. Angestrebt wird eine zwei- bis fünfmal so hohe Energiedichte wie in bisher bekannten Batteriesystemen. Diese sollen es – basierend auf heutigen Serienmodellen – ermöglichen, dass die Reichweite einer Batterieladung nicht wie heute nach fünfzig Kilometern, sondern erst nach zweihundert Kilometern endet.
In diesem Infomercial stellt BASF das Projekt HE-Lion vor. Gemeinsam mit Partnern werden im miniaturisierten Maßstab unterschiedliche Materialien für Lithium-Ionen-Batterien im Labor getestet, die neben der Lebensdauer vor allem die Batteriekapazität erhöhen sollen. In den kommenden fünf Jahren will die BASF einen dreistelligen Millionenbetrag in das Thema Batterien investieren. Darunter fallen Forschungsaktivitäten zur Optimierung der Lithium-Ionen-Technologie, Ziel ist aber auch die Entwicklung völlig neuer Batteriekonzepte.
© BASF SE 2011
