In den vergangenen zwei Jahrzehnten wurden bei der Entwicklung leistungsfähiger Energiespeichertechnologien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien (LIB), erhebliche Fortschritte erzielt. Für die nächste Generation von Elektrofahrzeugen sowie für die elektrische Luftfahrt und Robotik sind jedoch deutliche Sprünge bei Sicherheit, Zyklenlebensdauer, Energiedichte und Ladegeschwindigkeit erforderlich. Die Forschungsgruppe „Entwicklung fortschrittlicher Energiematerialien und Prozesse“ (EMP) setzt dort an, wo Batterieinnovation beginnt: bei den Materialien selbst und ihrer Herstellung. Für diesen Ansatz wurde sie als erste Helmholtz Innovation Exploration Group am KIT ausgezeichnet. Ihr Ziel ist es, Europas Kompetenzen in den Bereichen moderner Energiematerialien und deren Fertigung zu stärken, indem Lieferketten- und Umweltaspekte bereits in Materialdesign und Produktionsprozesse einbezogen werden. Dadurch entsteht ein direkter Weg von der Forschung in die industrielle Anwendung, der den gezielten und raschen Technologietransfer in den Markt unterstützt.

In enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern konzentriert sich die Forschungsgruppe auf vier Schwerpunkte: Materialentwicklung und -charakterisierung, intelligente Prozessentwicklung, Zelldesign und -testung für Festkörperbatterien (ASSB) sowie Scale-up der Fertigungsprozesse mit techno-ökonomischer Bewertung. Damit soll die Marktreife für eine Ausgründung (Spin-off) sichergestellt werden.

Kompositionell komplexe Materialien (compositionally complex materials, CCMs), zu denen auch die sogenannten Hochentropiematerialien zählen, gelten als vielversprechende Kandidaten für eine Vielzahl energietechnischer Anwendungen.^1,2 Die Forschungsgruppe konzentriert sich auf ihren Einsatz als Beschichtungen für Aktivmaterialien und als Festelektrolyte, sowohl für Lithium-Ionen- als auch für Post-Lithium-Batterien. Der zentrale Vorteil von CCMs liegt in ihrer Designflexibilität. Sie ermöglicht es, die Funktionalität gezielt auf die jeweilige Anwendung zuzuschneiden und dabei den Einsatz kritischer Rohstoffe zu reduzieren oder sogar ganz zu vermeiden. Ihr Potenzial lässt sich durch geeignete Prozesstechniken, die eine Kontrolle von Morphologie und Struktur erlauben, weiter ausschöpfen. Sowohl die maßgeschneiderte Materialzusammensetzung als auch die Prozessierung von CCMs sind aktive Forschungsfelder der Gruppe.

Eine hohe Ionenleitfähigkeit von CCMs ist Voraussetzung für ihre Zellintegration als Partikelbeschichtungen und Festelektrolyte. Die Leitfähigkeit lässt sich gezielt einstellen, indem die Energielandschaft für die Ionenmigration durch „Disorder by Design“ verändert wird.³ Die Forschungsgruppe verfügt über Expertise in der elektrochemischen Charakterisierung kompositionell komplexer Ionenleiter, die sie mit struktureller und morphologischer Optimierung durch intelligente Prozessentwicklung verknüpft.

Die in der Forschungsgruppe entwickelten Prozesse berücksichtigen nicht nur die Materialeigenschaften, sondern bereits im Labormaßstab auch ökologische und ökonomische Faktoren. In diesem Zusammenhang wurde eine neuartige photonisch-gestützte Beschichtungstechnologie entwickelt (Patent angemeldet), die thermische Verluste eliminiert und die Prozessgeschwindigkeit um das 15-Fache steigert. Zudem erzielt die Technologie eine hohe Konformität der Beschichtung, was die Entwicklung von ASSBs ermöglicht. Die Gruppe entwickelt diese Technologie weiter und setzt sie beispielsweise zur Beschichtung nickelreicher Kathodenaktivmaterialien ein, wodurch schnelleres Laden und eine längere Zyklenlebensdauer moderner LIBs erreicht werden.⁴

Festkörperbatterien (ASSBs) versprechen die hohe Energiedichte, die kommerziell verfügbaren Lithium-Ionen-Batterien fehlt. Der Engpass für ihre Kommerzialisierung liegt an den Grenzflächen zwischen Aktivmaterialien und Festelektrolyt. Die Forschungsgruppe begegnet diesen Grenzflächenherausforderungen durch Beschichtungen der Aktivmaterialpartikel sowie durch Elektrolytoptimierung und ermöglicht so ein ganzheitliches Zelldesign.

Über die innovative Forschung im Labormaßstab hinaus besteht eine Kernaufgabe der Gruppe darin, die Skalierung neuer Technologien vom Gramm- in den Kilogramm-Maßstab voranzutreiben und damit die Grundlage für Technologietransfer-Aktivitäten zu schaffen. Die Herausforderungen reichen daher über die Materialwissenschaft hinaus in die Verfahrens- und Prozesstechnik, einschließlich Auslegung und Inbetriebnahme von Pilotreaktoren. Zusätzlich wird jedes Scale-up-Projekt von einer techno-ökonomischen Bewertung begleitet, um relevante kommerzielle Perspektiven von Beginn an einzubeziehen. Zum Benchmarking der Ergebnisse gegenüber dem Stand der Technik arbeitet die Forschungsgruppe aktiv mit Industriepartnern und Forschungseinrichtungen zusammen.