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Galvanotechnik in der Batterieforschung (Teil 1/2) – ein Interview mit Prof. Dr. Timo Sörgel von der Hochschule Aalen

Einige Komponenten der in den wissenschaftlichen Fokus gerückten neuen Batterietechnologiekonzepte können unter anderem durch den Einsatz galvanotechnischer Prozesse gefertigt werden. Dr. Daniel Meyer von der DGO-Geschäftsstelle sprach mit Prof. Dr. Timo Sörgel von der Hochschule Aalen über die aktuelle und zu erwartende Rolle der Galvanotechnik bei der Batterieforschung.

Prof. Dr. Timo Sörgel von der Hochschule Aalen

Vor allem getrieben durch den Trend im Bereich der E-Mobilität wurde das Thema Batterieforschung in den letzten Jahren zunehmend Gegenstand der öffentlichen Forschungsförderung. Unterstützt wurde diese Entwicklung außerdem durch das zunehmende Interesse aus Industrie und Privatwirtschaft an neuen Konzepten für eine dezentrale Speicherung überschüssiger konventioneller oder selbst erzeugter erneuerbarer Energie. Die neue Batterieforschungsfabrik in Münster, deren Inbetriebnahme für 2022 geplant ist und deren Bau mit rund 700 Mio. Euro öffentlicher Mittel subventioniert wird, ist Ausdruck der aktuell hohen Bedeutung dieser Thematik in der Forschungslandschaft Deutschlands.

Einige Komponenten der in den wissenschaftlichen Fokus gerückten neuen Batterietechnologiekonzepte können unter anderem durch den Einsatz galvanotechnischer Prozesse gefertigt werden. Dies hat die DGO-Geschäftsstelle zum Anlass genommen, die aktuelle und perspektivisch zu erwartende Rolle der Galvanotechnik bei der Batterieforschung herauszustellen sowie neue Entwicklungen auf diesem Gebiet zu beleuchten. Dazu sprach Dr. Daniel Meyer von der DGO-Geschäftsstelle unter anderem mit Prof. Dr. Timo Sörgel von der Hochschule Aalen, der in mehreren FuE-Projekten zum Thema galvanotechnische Methoden in der Energiespeichertechnik involviert ist:

Herr Prof. Sörgel, wo liegen Ihrer Ansicht nach die aktuellen Forschungsschwerpunkte im Zusammenhang mit neuen Batterietechnologien in Deutschland?

Es gibt verschiedene Ansätze, die Energie- bzw. Leistungsdichte von wiederaufladbaren Batterien weiter zu steigern. Zum einen geht das durch die Entwicklung bzw. Erforschung von Kathodenaktivmaterialien mit erhöhtem Reduktionspotenzial bzw. mit erhöhter spezifischer Kapazität. In die erste Kategorie fallen zum Beispiel im Rahmen der Lithium-Ionen-Batterie (LIB)-Technologie sogenannte Hochvoltmaterialien. In die zweite Kategorie fällt beispielsweise Schwefel. Als eine vielversprechende Weiterentwicklung der etablierten LIB-Technologie mit flüssigem Elektrolyten gelten vor allem Festkörperbatterien, da diese den Einsatz von elementarem Lithium als Anodenaktivmaterial erlauben. Dieses Ziel wird seit der ersten Kommerzialisierung der LIB-Technologie durch Sony im Jahr 1991 verfolgt. Allgemein zielen die Forschungsaktivitäten auf die Entwicklung und Erprobung geeigneter neuer Materialkonzepte, an die gewisse Anforderungen bezüglich Sicherheit, Energiedichte, Effizienz sowie Zyklenfestigkeit gestellt werden.

Welches Anwendungspotenzial sehen Sie für die Galvanotechnik bei einer zukünftigen Batteriefertigung in Deutschland?

Die Galvanotechnik kann – je nach Zelltyp – bei der Fertigung unterschiedlicher Batteriekomponenten perspektivisch durchaus eine Rolle spielen. Ein Fokus unserer Forschung beispielsweise liegt auf einer neuen, sogenannten Quasi-All-Solid-State Lithium-Schwefel-Batterie. Dieses Konzept verfolgen wir im Rahmen eines kürzlich von uns zusammen mit den Partnern fem und VARTA Microbattery gestarteten und vom BMWi geförderten Verbundprojekt: Einerseits kommt für die Fertigung der Schwefel-Kathode – bestehend aus einer Nickel-Matrix und Schwefelpartikeln – unser patentierter Prozess der Kompositgalvanoformung zum Einsatz. Ebenfalls galvanisch abgeschieden wird das anodenseitige Lithium. Für eine definierte Zellballance ohne Lithiumüberschuss muss dies jedoch in exakt definierten Mengen erfolgen. Hier verfügt unser Projektpartner fem in Schwäbisch Gmünd über eine umfangreiche Expertise. Einen Überblick über das Gesamtkonzept der Quasi-All-Solid-State Lithium-Schwefel-Batterie bietet die Grafik unter dem folgenden Link:

Grafik: Gesamtkonzept der Quasi-All-Solid-State Lithium-Schwefel-Batterie (Quelle: fem)

Wie schätzen Sie die Erfolgschancen dieser neuen Batterietechnologie ein?

Der kommerzielle Erfolg ist noch nicht konkret abschätzbar. Zwar wurden die wissenschaftlich-technischen Grundlagen der Kompositgalvanoformung in unserem Haus durch den Aufbau einer voll funktionsfähigen Technikumsanlage bereits erfolgreich in einen praxistauglichen Prozess überführt. Am Ende entscheiden aber häufig die Herstellungskosten über eine Etablierung neuer Batterietechnologien am Markt. Im Moment sind wir noch dabei, diese zu evaluieren. Auch spielt das Thema Nachhaltigkeit eine immer stärkere Rolle: Ein Zelltyp für den Massenmarkt setzt eine gute und ökologisch verträgliche Ressourcenverfügbarkeit sowie einen effektiven Recyclingprozess voraus. Hier sehen wir in Bezug auf die Kompositgalvanoformung weitere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.

Gibt es über das fem hinaus noch weitere Forschungspartner, mit denen Sie aktuell kooperieren?

Gemeinsam mit der TU Ilmenau soll noch in diesem Jahr ein IGF-Forschungsvorhaben über die DGO bei der AiF eingereicht werden. Ziel des Vorhabens ist die Herstellung von ultraleistungsdichten Kathoden für Lithium-Ionen-Batterien auf Basis von Aluminium als Matrixmetall. Wir wollen dadurch die Leistungsfähigkeit kompositgalvanogeformter Elektroden weiter steigern und optimieren. Die TU Ilmenau bringt dabei ihre umfangreichen Erfahrungen zur galvanischen Aluminiumabscheidung ein. Außerdem gibt es erste Kontakte zur TU Braunschweig und der dortigen Battery Labfactory Braunschweig (BLB).

An welcher Stelle könnten galvanotechnische Prozesse Ihrer Ansicht nach perspektivisch außerdem zur Anwendung kommen?

Sicherlich gibt es in den größeren Einheiten bis hin zum Batteriesystem weitere bestehende oder auch potenziell neue Anwendungen wie die Kontaktierung der Zellelektroden mittels galvanisch beschichteter Ableitertabs oder Kontaktierungsaspekte auf Modul-Ebene. Werden prismatische Zellen mit festem Gehäuse – in der Regel aus Aluminium – eingesetzt, gibt es auch hier möglicherweise Anwendungen im Bereich Korrosionsschutz und elektrischer Isolation zum Beispiel durch Anodisieren. Außerdem haben wir in bereits abgeschlossenen Projekten galvanotechnische Methoden genutzt, um einzelne Komponenten von Batteriezellen herzustellen. Hier denke ich an eine direkte Dispersionsabscheidung auf die innere Oberfläche metallischer Schäume oder die Erzeugung von Separatoren auf Basis von AAO – Anodic Aluminium Oxide. Beide Aspekte haben wir ebenfalls in einem Verbundprojekt mit unserem Partner fem erforscht.

Mit Blick auf die Halbleiterindustrie ist festzustellen, dass etablierte Galvanikunternehmen bisher kaum einen Lieferkettenzugang zu dieser Branche herstellen konnten. Wie schätzen Sie den Bedarf für eine frühzeitige und intensivere Vernetzung zwischen Batterie- und Galvanikbranche ein?

Grundsätzlich ist die Batterieszene in Deutschland über Netzwerke und Cluster relativ gut vernetzt und entsprechende Verbindungen zur Galvanikbranche existieren bereits – siehe die galvanische Beschichtung von Ableitertabs. Eine stärkere Vernetzung wird sich meines Erachtens mit der Umsetzung eines sehr hohen Technology Readiness Level automatisch ergeben. Der direkte Einstieg in die Zell- und Zellkomponentenfertigung stellt jedoch eine gewisse Herausforderung dar. Daher sehe ich die Galvanikbetriebe perspektivisch eher in der traditionellen Rolle des Zulieferers.

Herr Prof. Sörgel, wir danken Ihnen für das Gespräch und wünschen Ihnen weiterhin viel Erfolg bei Ihrer Forschung!

Ein zweites Interview zum Thema Batterieforschung mit Dr. Michael Stich von der Technischen Universität Ilmenau folgt.