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Energiespeicher der Zukunft erforschen und entwickeln

Zentrum für Energie und Umweltchemie (CEEC) entsteht in Jena
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16.08.2012

 

Wer hat sich nicht schon geärgert, weil der "schwere" Akku des Lap­tops nicht nur das Gewicht wesentlich erhöht, sondern auch gerade dann den Strom aufgibt, wenn man noch Wichtiges schreiben will? Als Nutzer träumt man dann von einem leichten Akku, der in kürzester Zeit wieder aufge­la­den ist und danach das Ge­rät stundenlang mit Strom versorgt.

Damit dies nicht länger ein Traum bleibt, wird in Jena das deutschlandweit ein­zig­arti­ge Zentrum für Ener­gie und Umweltchemie (Center for En­ergy and Envi­ron­­mental Che­mistry Jena - CEEC Jena) entstehen. Die Politik hat gerade den Weg freige­macht und über 14 Mio. Euro zugesagt, damit das neue For­schungs­­zentrum gebaut und eröffnet werden kann. Getragen wird es ge­mein­sam von der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU) und dem Fraun­hofer-In­sti­tut für Keramische Technologien und Systeme Herms­dorf/Dresden (IKTS). Dies si­chert eine enge Verbindung von Grundlagen- und ange­wandter For­schung.


Ziel: eine risiko­ar­me, kli­ma­freundliche und nach­haltige Energieversorgung

Im CEEC Jena sollen keramische oder polymere Materialien für die Energie­speiche­rung, -erzeugung und für Um­welttechnologien entwickelt und ent­spre­chende Proto­ty­pen gebaut werden. Dazu existiert bereits ein breites Know-how in 12 bis 15 Ar­beits­gruppen der Universität und des Fraunhofer-Insti­tuts, die nun unter dem Dach des CEEC verknüpft werden sollen. Hinzu kom­men zwei neu eingerichtete For­scher­grup­pen sowie eine von der Carl-Zeiss-Stif­tung finanzierte Juniorprofes­sur für Elektro­che­mie, die bereits in Vorbereitung der Zentrumsgrün­dung eingerichtet wurden. "Das große gemeinsame Ziel der beiden Forschergruppen von FSU und ITKS ist die Ent­wicklung von neuen bzw. optimierten elektrischen Energiespeichern, die zukünftig eine risiko­ar­me, kli­ma­freundliche und nach­haltige Energieversorgung in verschie­de­nen Anwendungsfeldern ermöglichen", fasst es Prof. Dr. Ulrich S. Schubert von der Uni Jena zusammen. Der Chemiker und Initiator des CEEC verweist außerdem auf "den interfakultativen Charakter des Zentrums, wodurch wir die notwendige Masse an wissenschaftlichem Know-how für so et­was Besonderes wie ein universitäres Zent­rum erhalten".


Forschungen an drei unterschiedlichen Batte­rie­typen

Im Mittelpunkt der aktuellen Energiespeicher-Forschungen am CEEC Jena stehen drei unterschiedliche Batte­rie­typen: Organische Radikalbatterien, Redox-Flow-Bat­te­rien sowie Hochtemperatur-Batterien (u. a. Natrium-Schwefel-Batterien). Besonders die bei­den letztgenannten Batterietypen sollen die Speicherung von großen Energie­men­gen ermöglichen, wie sie z. B. bei Windparks oder Solaranlagen entstehen. Das Ziel der Forschergruppen ist es, praktikable Lösungen für Redox-Flow-Bat­terien zu ent­wickeln, damit diese Systeme vermehrt einsatz­fähig werden. "Bis­her gibt es welt­weit nur sehr wenige Beispiele für einen erfolgreichen Einsatz dieser Systeme - auf Grund des hohen Preises und weil die Langzeitstabilität noch fraglich ist", sagt Dr. Mar­tin Hager, Leiter der Forschergruppe "Neue po­ly­mere Materialien für effiziente Energiespeicher" an der Uni Jena. Im Gegensatz dazu sind Organische Radikal­batte­rien Strom­speicher für geringere Ener­gie­men­gen. Ein Vorzug dieser Systeme ist, dass dank innovativer Kunststoffe prin­zipiell metallfreie Batterien ge­baut werden kön­nen. Ein Ziel ist hier die Ent­wicklung von neuen Elektrodenmaterialien, welche eine möglichst hohe Kapa­zität und Zellspannung ermöglichen sollen. Ergänzt werden die Arbeiten der Forschergruppe u. a. durch Entwicklungen am Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie der FSU, wo momentan polymere Materialien für die organische Radikalbatterie entwickelt werden. Diese Polymere erlauben es u. a., Batterien drucktechnisch herzustellen. Weiterhin wird daran gearbeitet Bat­terien produzieren zu können, welche nur organische Aktivmaterialien enthal­ten. Auf diese Weise können fast metallfreie Batterien aufgebaut werden. "Gif­tige umweltgefähr­den­de Metalle können somit perspektivisch komplett ersetzt wer­den", betont Chemiker Ha­ger.


Forschungen zu Hochtemperaturbatterien und Kohlenstoffnanoschichten

Am Fraunhofer-Institut in Hermsdorf wurden bereits Forschungen auf den The­men­ge­bieten Hochtemperaturbatterien und Kohlenstoffnanoschichten gestartet, jeweils für stationäre Anwendungen. Die Forschergruppe "Neue keramische Ma­terialien für effiziente Energiespeicher" des IKTS wird sich primär auf indus­trielle Strom­spei­cher fokussieren, die auf keramischen Prinzipien beruhen. "Dies sichert eine nahe­zu euro­paweite Alleinstellungsposition", sagt der Leiter Dr. Michael Stelter. "Es wurde in den letzten Monaten zunächst die Fähigkeit her­gestellt, innovative kera­mische Elektrolyte aus den Grundbestandteilen zu synthetisieren bzw. aus kommerziellen Materialien her­zu­stellen und zweifelsfrei zu befunden", so Stelter weiter. "Beides ist gelungen." Das IKTS kann - zu­nächst im Labormaßstab - eigene Materialien herstellen. Weiter­hin wurden Ver­fahren und Hardware entwickelt, um eigene Hochtemperaturbatterien zu bau­en und zu testen. "Somit ist die Forschergruppe bereits in der Lage, das kom­plette elektrochemische System Batterie im Labormaßstab abzu­bilden", sagt Stelter. Als nächste Schritte sind geplant: die Batterien schrittweise auf die Größe eines Milch­kartons pro Einzelzelle zu verkleinern. Weiterhin wird die Che­mie der Batterien fortentwickelt. Die Hermsdorfer Wissenschaftler wollen v. a. die Prozesse des schlei­chenden Leistungsverlustes verstehen, der die Le­bensdauer der Batterie reduziert. Es wird in den kommenden Jahren ein Ziel von ca. 100.000 Stunden Lebens­dau­er pro Zelle angestrebt.

Ergänzt werden die Untersuchungen durch die Forschungen von Prof. Dr. Anna Ig­naszak. Sie hat seit Mai die Juniorprofessur für Elektrochemie funktionaler Ma­teria­lien an der FSU inne und wird sich neben der Elektrochemie von organischen Poly­me­ren und der Optimierung von Elektrodenmaterialien zukünftig auch Brennstoff­zellen widmen.


Neubau wird an das ZAF "angedockt"

Noch arbeiten die Forscher an verschiedenen Standorten, bis als zweiter Schritt der Zentrumsbildung ein Forschungs­neubau für das CEEC Jena am Jenaer Max-Wien-Platz errichtet ist. Mit 14,4 Millio­nen Euro - inklusive Erstausstattung und Geräten - werden dort Forschungs­flä­chen von über 1.200 qm entstehen. Unmittelbar an das noch im Bau be­find­liche "Zentrum für angewandte Forschung" (ZAF) der Universität wird der Neu­bau des CEEC "angedockt". Die Ernst-Abbe-Stiftung trägt bis zu 10 Mil­lionen Euro. Diese Mittel stammen aus Zustiftungen des Landes an die Ernst-Abbe-Stiftung. Weitere vier Millionen Euro wird die Carl-Zeiss-Stiftung beisteuern. Die Kos­ten für die Erstausstattung in Höhe von rund 400.000 Euro werden aus Lan­desmitteln getragen. Darüber hinaus bringt das Land das Grundstück ein. "Die durch den Neu­bau ermöglichten Synergien sind - auch mit Blick auf die Kosten - überzeugend", ist sich Prof. Schubert sicher, der darauf hofft, im Sommer 2015 einziehen zu können.

Doch bis dahin sind noch zahlreiche weitere Schritte notwendig auf dem Weg zum CEEC und nicht zuletzt erfolgreiche Forschungen, damit dem Laptop in Zu­kunft nicht gerade dann der Strom ausgeht, bevor die wichtige Idee fixiert wurde.

Kontakt:
Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie (IOMC) der Universität Jena
Humboldtstr. 10, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 948201
E-Mail:

Dr. Michael Stelter
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Michael-Faraday-Str.1, 07629 Hermsdorf
Tel.: 036601 / 93013031
E-Mail:

Meldung vom: 2012-08-16 11:54

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