Zukunftstechnologien in der Batterieforschung

Der Materialwissenschaftler Christian Prehal forscht an nachhaltigen Batterietechnologien der Zukunft. Im Fokus stehen die potentiell sehr leistungsstarken Lithium-Schwefel-Batterien und die potentiell sehr kostengünstigen Natrium-Ionen-Batterien.

Die Lithium-Ionen-Batterie hat zwar noch lange nicht ausgedient (ihre hohe Energiedichte, die immer geringer werdenden Herstellungskosten und die lange Lebensdauer sind derzeit unschlagbar), aber aufgrund von geopolitischen Abhängigkeiten, Ressourcenverfügbarkeiten und Umweltaspekten wird viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit in alternative Batterietechnologien gesteckt.

Ein großer Hoffnungsträger sind Lithium-Schwefel-Batterien. Wegen ihrer theoretisch außergewöhnlich hohen Speicherkapazität gab es um sie schon einmal, vor rund fünfzehn Jahren, einen regelrechten Hype, schildert Christian Prehal vom Fachbereich Chemie und Physik der Materialien der Universität Salzburg. Die tatsächliche, technisch erreichbare Energiedichte der Lithium-Schwefel-Batterien ist jedoch meilenweit vom theoretischen Wert entfernt. Der Erfolg blieb aus. Das Interesse flaute ab. Jetzt springt es wieder an. „Noch sind die grundlegendsten Mechanismen bei den Lade- und Entladevorgängen auf der Nanoebene nicht verstanden. Diese aufzuklären, ist das Ziel meines EU-Projekts“, so der 37-jährige Assistenzprofessor.

ERC Starting Grant mit 2,4 Millionen Euro

Im Jahr 2023 erhielt Prehal für dieses Grundlagenforschungsprojekt einen mit 2,4 Millionen Euro dotierten Starting Grant des Europäischen Forschungsrates (ERC).

„In der Zwischenzeit haben wir mit einer Kombination aus Röntgenstreuung und Elektronenmikroskopie durchaus überraschende Erkenntnisse gewonnen was die Umwandlungsprozesse zwischen Schwefel und Sulfid betrifft und gesehen, dass diese Prozesse nicht ganz so ablaufen, wie das in der Literatur beschrieben wird. Immer wenn sich eine Schwefel-Batterie entlädt, wandelt sich der Schwefel in Sulfid um. Das passiert in winzig kleinen Strukturen auf der Nanoebene. Wir haben festgestellt, dass dabei nicht nur Lithiumsulfid entsteht, sondern auch eine zweite amorphe Phase, und das kann erklären, warum man bisher nicht die erhofften Energiedichten erreicht hat,“ erläutert Prehal.

Schwefel statt kritischer Rohstoffe?

Für Schwefel als Batteriematerial spricht nicht nur, dass er sehr viel Energie speichern kann, sondern auch, dass er kostengünstig, umweltfreundlich und breit verfügbar ist. Heutzutage besteht die Kathode vor allem aus Metalloxiden, die teils problematische Metalle wie Kobalt enthalten. Dorthin wandern die Lithium-Ionen beim Entladen der Zelle. „Kobalt wird unter höchst bedenklichen Bedingungen in der Demokratischen Republik Kongo abgebaut. Und Nickel ist sehr teuer. Wenn man diese kritischen Rohstoffe durch Schwefel ersetzen kann, ist sehr viel gewonnen. Um das Lithium wird man aber auch in Zukunft nicht ganz herumkommen, wenn man hohe Reichweiten in E-Autos braucht“, sagt Prehal und ergänzt „Wenn wir die Energiewende wollen, dann müssen wir uns in Europa gerade bei den Rohstoffen unabhängiger machen von anderen Ländern.“

Alternative zu Lithium: Das Potential von Natrium-Ionen-Batterien

Natrium-Ionen, chemisch eng verwandt mit Lithium-Ionen, gelten als vielversprechende Ladungsträger für kostengünstige Batterien.  Natrium ist auch in Europa reichlich vorhanden, zum Beispiel in Form von Kochsalz, und kann kostengünstig abgebaut werden, was zu potentiell niedrigeren Batteriepreisen und einer größeren Produktionskapazität führen kann. Die ersten Natrium-Ionen-Batterien gibt es bereits. Ende 2023 lief das erste E-Auto mit dieser Technologie in China vom Band.

Christian Prehal forscht in einem anwendungsnahen Projekt daran, wie Natrium-Ionen-Batterien eine möglichst gute Performance bei gleichzeitig geringen Kosten erreichen können. „Natrium-Ionen Batterien erzielen zwar nicht die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien, aber es gibt Anwendungen, wo das nicht so wichtig ist, zum Beispiel für E-Autos, die mit einer geringen Reichweite auskommen, oder für günstige stationäre Speicher.“

Mit Machine Learning zu besseren Batterien

Zur Optimierung der Natrium-Ionen-Batterien zieht Prehal Methoden der Datenwissenschaft mit heran. „Man kann sich das so vorstellen: Um eine leistungsfähige Batterie zu entwickeln, werden sehr viele Materialkomponenten mit unterschiedlichen Herstellungsparametern kombiniert, die alle einen bestimmten Einfluss auf die Gesamteigeneigenschaften der Batterie haben. Das macht die Suche nach optimalen Kombinationen enorm komplex. Im klassischen Ansatz, sind dafür Tausende von Messungen im Labor nötig. Wir gehen hingegen so vor, dass wir gezielt einige ausgewählte Kombinationen testen, die Ergebnisse in ein datenbasiertes Modell füttern, und dieses schlägt uns dann vor, welche Kombinationen wir als nächstes untersuchen sollen. So kommen wir in einem iterativen Prozess zu optimalen Ergebnissen, auf die man mit klassischem Ausprobieren nie gekommen wäre.“

Der Karriereweg des gebürtigen Salzburgers (geb. 1988 in Radstadt) führte von der Montanuniversität Leoben, wo er Werkstoffwissenschaften mit Schwerpunkt Materialphysik studierte, über Postdoc-Stellen an der TU Graz und der ETH Zürich, schließlich 2023 an die Universität Salzburg. Nicola Hüsing war zu der Zeit Vizerektorin für Forschung: „Wir wollten exzellente hoch motivierte junge Leute nach Salzburg zu holen. Deswegen haben wir Christan Prehal damals angeboten, ihm als Gastinstitution zur Verfügung zu stehen, wenn er bei der EU einen ERC Starting Grant beantragen möchte. Aus der Schweiz heraus war dies damals nicht möglich. Unser Angebot war verbunden mit Karriereperspektiven, konkret einer Anstellung als Assistant Professor.“

Für Prehals Pro-Salzburg Entscheidung zählte aber noch mehr. „Ich hatte das Gefühl, dass ich mit meiner Forschung hier sehr gut hineinpasse, weil es viele Schnittmengen mit verschiedenen Gruppen gibt. Außerdem ist die Geräte-Ausstattung sehr gut. Und natürlich haben auch private Gründe mitgespielt wie meine Liebe zu den Bergen, in denen ich das ganze Jahr über gern unterwegs bin.“