Durchbruch: Neue Batterie-Elektroden aus Deutschland - Prof. Spatz & Prof. Esser | Geladen Podcast

00:00:04: Und damit herzlich willkommen bei Geladen, dein Batterie-Podcast zur Energiewende.

00:00:09: Liebes Publikum!

00:00:10: Wir kriegen ja immer hier die Themenvorschläge ganz, ganz toll.

00:00:12: Vielen Dank und heute beschäftigen wir uns mit einem Startup, mit einem Batteriestartup Batene was wir schon ziemlich häufig vorgeschlagen bekommen haben.

00:00:20: Vielen vielen dank für diese Themenvorschläge.

00:00:22: wenn auch du einen hast dann schreib sie gerne mal in die Kommentare und wenn du schon dabei bist dann abonniere doch gerne diesen Kanal.

00:00:29: Wir sprechen heute über eine Batterie-Innovation aus Deutschland, die wirklich viel verändern könnte.

00:00:34: Wir sind schon sehr gespannt und unsere Gäste dafür sind heute Professor Joachim Spatz und Prof.

00:00:39: Birgit Esser.

00:00:40: Herzlich willkommen an euch beide!

00:00:42: Hallo!

00:00:43: Ja Joachimi du bist Direktor am Max-Blanck-Institut für Medizinische Forschung und Gründer & CTO von Batene Und Birgitt, du bist hier zum dritten Mal im Podcast.

00:00:51: Du bist Professorin an der Universität Ulm und designierte Sprecherin vom Exzellenzglaster Polis.

00:00:57: Joachim, ihr kündigt auf eurer Website oder auch sonstigen Publikationen an.

00:01:01: Die Energiedichte von Batterien soll um mindestens dreißig Prozent erhöht werden können.

00:01:06: Möglich sollen sogar achtzig Prozent sein.

00:01:08: dann irgendwann perspektivisch und gleichzeitig sollen die Kosten für eine Batterie um bis zu vierzig Prozent gesenkt werden.

00:01:14: das sind natürlich ordentliche Ankündigung.

00:01:17: erst mal ganz zu Beginn ganz allgemein wobei der Batterie wollt ihr denn ansetzen um diese Werte um diese Verbesserung zu erreichen?

00:01:24: Wir ersetzen den Stromcollektor.

00:01:27: Das Stromcollector in der heutigen Batterie sind Folien aus Aluminium oder Kupfer, je nachdem ob noch die Kathode oder also dem Pluspol oder Minuspol der Batterie anspricht.

00:01:38: Diese Folie ersetzen wir durch ein dreidimensionales Fließ aber nicht aus Baumwolle oder Seite sondern aus feinstemetallischen Fasern zusammengeknüpft.

00:01:49: und die Besonderheit des was wir entdeckt haben bei dem Max Planck Institut für Medizinische Forschung ist, dass wir mithilfe dieses Flieses die Elektronen d.h.

00:01:59: den Strom und das ist es besondere auch die Ionen, die Lithium-Ionen sehr schnell in das Aktivmaterial und wieder herausbekommen.

00:02:08: Und damit laden wir die Batterien schneller.

00:02:10: also was heute ja uns eigentlich immer limitiert beim Autofahren, dass Wir Angst haben dass wir nicht schnell genug laden können um schnell genug nach Hause zu kommen.

00:02:20: Ihr wollt die Kollektorfolien revolutionieren.

00:02:23: Um welche Metalle geht's denn da?

00:02:25: Also du hast gerade erwähnt, Kupfer oder Aluminium.

00:02:27: auch in den herkömmlichen Lithium-Millionenbatterien werden die eingesetzt.

00:02:30: bei Natrium-Millonen zum Beispiel ist es beides mal Aluminum auf beiden Seiten.

00:02:35: ihr macht dann diesen Metallvlies für beide Seiten.

00:02:38: Ja das ist vom Metall nahezu unabhängig.

00:02:40: also Aluminuum und Kupffer können wir die Fliese herstellen aus den Materialien.

00:02:45: Wir ändern nichts an der Chemie Sondern behalten die Kimi bei, wir bauen nur das Design der Batterie um.

00:02:50: Ja Birgit, erzähl doch erst mal was ist denn so die Aufgabe überhaupt?

00:02:54: Der Kollektorfolie in einer Lithium-Millionenbatterie in einem herkömmlichen.

00:02:58: Im Batterieschaum sagt man da meistens Ladungssamm dazu und wie der Name sagt sind die Folien erstmal dazu da die Elektronen aufzunehmen, die dann beim Laden beziehungsweise Entladen aus den zwei Elektroden rauskommen.

00:03:11: Wir gehen fast doch noch mal zusammen.

00:03:12: Warum benutzt man dann jetzt gerade Kupfer für den Minuspol von Lithium-Ionenbatterien und für den Pluspol Aluminium?

00:03:19: Also irgendwie müssen ja die Metalle perfekt zueinander passen, oder?

00:03:23: In der Batterie hat man zum einen starkes Potenzialgefälle und zum anderen hat man auch den Flüssigelektrolyten.

00:03:29: Das heißt, man braucht unbedingt Materialien, die chemisch stabil sind in dem Potentialbereich wo die Elektrode funktioniert aber auch gegenüber dem Elektrolyten.

00:03:37: Und so viel eben die Wahl auf diese zwei Materialien, also Kupfer ist da das teurere Material hat aber auch natürlich eine exzellente elektrische Leitwärchkeit und es eben stabil für die Anode bei den niedrigen Potenzialen während Aluminium ist es ein bisschen günstiger.

00:03:54: Das kann man für die Katode nehmen.

00:03:56: Da ist die Leitfähigkeit allerdings etwas schlechter.

00:03:58: Also auch da muss man Kompromisse schließen sozusagen Man hat nicht die gleiche elektrischen Leit-Wähigkeit Aber in beiden Fällen hat man die gewünschten anderen Eigenschaften.

00:04:06: Also beide sind sehr stabil, haben quasi diese Zugfestigkeit und man braucht auch eine gute Oberflächenhaftung.

00:04:13: dann für das Kompositmaterial was darauf aufgetragen wird

00:04:18: Kannst du vielleicht noch mal erklären, welche Nachteile oder Herausforderungen denn so diese herkömmlichen Dünnschicht-Elektroden mit Folie haben?

00:04:27: Also wenn man jetzt zum Beispiel an Ladegeschwindigkeiten aber auch das Gewicht oder die Kosten oder sowas denkt.

00:04:32: Wie ist es bei derzeitigen Batteriezellen?

00:04:34: Wenn man jetzt ein ganzes Batteriepack sogar anschaut ... dann liegen die Materialkosten da bei fünfzig bis siebzig Prozent ungefähr.

00:04:42: Von diesen Prozents hat sozusagen liegen sieben Prozent aktuell die Kosten für die Ladungsamlarfolien, das heißt für so ein ganzes Batterie-Pack sind wir schon bei vier Prozent der Kosten nur für die ladungssammlerfolien.

00:04:53: Das ist natürlich für einen inaktiven Bestandteil der Batterie schon eine ganz enorme Summe.

00:04:59: Das is quasi der Kostenaspekt.

00:05:02: Gewicht trägt natürlich auch dazu, wenn man jetzt genau die Energiedichte pro Gewicht betrachtet.

00:05:08: Und was die Ladungsgeschwindigkeit betrifft da ist sicher ein Nachteil dieser Folien dass sie eben flach sind zweidimensional und man beschichtet eine Oberfläche mit dem Aktivmaterial.

00:05:20: Das heißt, jedes Elektronen was dann zum Ladungssammler möchte muss erst durch die aktive Elektrodenschicht durch um zum Ladungs-Sammler zu kommen und gleichermaßen müssen auch die Johnwandern, die dann eher sogar noch limitierend sind.

00:05:32: Und wenn man jetzt eine Batterie sehr schnell laden und endladen möchte Dann sind dünne Elektroden in diesem Fall deutlich günstiger Aber natürlich dünner Elektrode.

00:05:40: dafür braucht man dann noch mehr Ladungs sammler also noch mehr Metallfolie und das macht dann die Batterie wiederum teurer.

00:05:47: Ja, dann sind wir ganz gespannt zu hören.

00:05:48: Joachim wie ihr das dann geregelt habt?

00:05:50: Jetzt haben wir gerade gehört wenn man schnell laden möchte eigentlich dünne Elektronen.

00:05:54: jetzt sagst du ihr habt einen anderen Weg gewählt.

00:05:56: Wie ist es bei euch?

00:05:57: also wir nehmen den Strom sammler Den Stromkollektor aus Kupfer oder Aluminium Und ersetzen denen durch eben ein sehr feines fließ Drei dimensiales flies und dieses Flies hat Dann sogar zehn mal mehr Oberfläche als die entsprechende Folie.

00:06:15: dadurch haben die Ladungsträger natürlich sehr viel mehr Möglichkeiten in das Aktivmaterial hineinzudringen.

00:06:21: Das heißt, wir kontaktieren das Aktifmaterial durch das Fließ sehr viel effizienter und haben dadurch eine bessere Leitfähigkeit – man sagt dazu auch einen geringeren inneren Widerstand –

00:06:33: d.h.,

00:06:34: die Elektronen können sehr viel besser in das aktive Material in drei Dimensionen hineintifundieren.

00:06:40: Und das Besondere ist es was wir gefunden haben Auch Ionen, also z.B.

00:06:44: Lithium-Ionen und wir erwarten das auch bei anderen Ionenarten sehr schnell entlang dieser metallischen Phasern entlang diffundieren.

00:06:54: Und zwar ungefähr achtzigmal schneller wie jetzt in dem reinen Elektrolyt.

00:06:58: Das ist die grundlegende Entdeckung, die wir hier beim Max Planck gemacht haben.

00:07:03: Damit erfüllt sozusagen der Stromsammler nicht nur die Aufgabe bei uns der Strom gesammelt wird, sondern dass auch die Lithium-Ionen einen zusätzlichen Kanal haben.

00:07:16: Um sehr effizient und homogen in dem Aktivmaterial verteilt zu

00:07:21: werden.".

00:07:21: Was mich daran total fasziniert ist das wir zum ersten mal nicht über die Materialien zwischen Elektrolyt und Elektrode sprechen, sondern zwischen Ableiter und Elektrode.

00:07:33: Insofern diese berühmte SI-Schicht habt ihr ja auch in euren Zellen oder?

00:07:37: Die SEAI-Schicht ist bei uns genauso vorhanden jetzt wie bei Metafolie und es natürlich auch eine wichtige Schicht, um zu stabilisieren.

00:07:46: Wieder auf der anderen Seite will man sie natürlich nicht so dick haben, um das Ganze zu limitieren die Beweglichkeit.

00:07:52: Jetzt habt ihr einen Prototypen gebaut, so wie ich das verstanden habe irgendwie aus den Medien?

00:07:57: Nehmt uns da mal mit!

00:07:57: Welche Energiedichten habt ihr denn da erreicht wenn ihr jetzt schon diese Ankündigungen gemacht habt, die wir vorhin gehört haben?

00:08:04: Wenn wir jetzt rein auf Auf die elektroden Seite geht auf die Ebene einer Elektrode der Anode.

00:08:09: Reichen wir im Vergleich zu einer ähnlichen, gleichen Elektrodae aber auch Folie aufgebaut – ca.

00:08:17: dreißig Prozent höhere Energiedichte.

00:08:20: Das heißt, wir brauchen dreißzig Prozent weniger Material und weniger Kupfer in diesem Fall um das gleiche Ergebnis zu erzielen wie auf der Folie.

00:08:32: Und das ganze hängt natürlich von der Dicke der Elektroden ab.

00:08:34: Wie dicker ich die Elektrode mache, desto mehr spare ich ja dann Todmaterial.

00:08:39: Das heißt wenn wir fünfhundert Mikrometer dick werden können, muss eine entsprechende zweidimensionale Elektroda wahrscheinlich so ungefähr fünf mal bis sieben Mal gestapelt werden.

00:08:52: und wenn man jetzt dieses Todmaterial einsparen kann spart man ungefähr an Gewicht und dadurch ist die Energiedichte um dreißig Prozent höher.

00:09:03: Und man spart auch am Volumen, weil man ja nicht mehr das Volumen von diesen Folien- und Separatoren in der Elektrode hat.

00:09:10: Das heißt, man gewinnt auf der Volumenseite, man sparrt Volumen ein wie auch Gewicht.

00:09:16: Jetzt hast du gerade über die Elektrodenenergie-Dichte gesprochen.

00:09:19: Das ist natürlich noch mal was anderes, als wenn wir über die Energiedichte der kompletten Zelle reden.

00:09:24: Aber so wie ich das verstand hab, habt ihr schon einen Prototyp eine gesamte Zelle gebaut oder?

00:09:28: Wir bauen Knopfzellen, wir bauen Pouchzellen ... Und wenn man das dann auf die gesamte Zellebene berechnet, gewinnt man ungefähr zehn Prozent an der Gravimetrische als an dem Angewicht und über zwanzig bis dreißig Prozent an Volumen.

00:09:45: Das ist der momentane Prototyp.

00:09:48: Wenn man die Faserstruktur weiter optimiert, dann ist die Vorhersage, dass wir dreizig Prozent erreichen.

00:09:55: Wenn man auch zu ganz anderen aktiven Materialien geht, die heute gar nicht verfügbar gemacht werden können.

00:10:00: Die zwar hohe Energiedichten haben aber die aufgrund der Dünnschichttechnologie nicht machbar sind dann kann man auch theoretisch bis Achtzig Prozent gehen.

00:10:10: das haben wir natürlich noch nicht erreicht.

00:10:12: Aber da sprechen wir zum Beispiel über siliziumhaltiges Material auf der Anode was sehr stark im Volumen Ausdehnungskurvizienten hat bei Laden und Entladen wo wir mit dem Fließ sozusagen ein Atmen des Flieges diese Volumenausdehnung kompensieren können.

00:10:33: Man spricht über sehr nickelreichige Kathodenmaterialen, in denen die Leitfähigkeit generell schlechter ist und durch unser Fließ erreichen wir praktisch eine Reduktion des inneren Widerstandes.

00:10:43: Die Menge des Kupfers, hast du gesagt?

00:10:45: Die kann man ein bisschen reduzieren.

00:10:47: Jetzt frage ich mich grad wie kann man denn die Menge des kupfes reduzieren wenn man aus einer Folie sozusagen einen dreideh Schwamm

00:10:53: macht?

00:10:54: Wie kann ich mir das vorstellen dass der sozusagen die menge des kupfers noch zurückgefahren wird und gleichzeitig die Oberfläche steigt Und die mänge unterm strich sinkt?

00:11:02: Das kann Ich mir noch gar nicht vorstellen.

00:11:04: Wenn jetzt eine kupfepfolie nimmst und in feinste Bestandteile aufarbeitest Dann haben wir acht bis zehn mal größere Oberfläche gegenüber einer Folie.

00:11:16: Und das heißt, die Elektronen können an acht bis zehnmal so vielen Stellen in das aktive Material hineindringen wie jetzt auf der Folie und dadurch brauchen wir letztendlich auch weniger Material um den einen besseren Innenwiderstand auch herzustellen, weil wir einen bessere Kontakt haben und eine größere Parallelisierung der Eingänge der Elektronen in das Aktivmaterial ermöglichen.

00:11:42: Dadurch kannst du eine Reduzierung des Kupferanteils oder Aluminiumanteils erreichen.

00:11:48: Also du musst es über die Oberfläche denken,

00:11:50: d.h.,

00:11:52: da hast du eine zweidimensionale Folie.

00:11:54: Es hat eine gewisse Oberfläche eins.

00:11:56: Jetzt nimmst du das Material und arbeitest es so auf, dass es insgesamt achtmal höhere Oberflächen hat als ultrafeine Fasern.

00:12:05: Und dadurch können die Elektronen praktisch an acht mal so viele Stellen ganz in das Aktivmaterial hinein drängen.

00:12:12: Birgit, wir haben vorhin schon darüber gesprochen über sozusagen das tote Material in der Batterie.

00:12:16: Was man eigentlich in einer Batteriezelle reduzieren will gegenüber dem Speichermaterial und dem Aktivmaterial.

00:12:23: Ihr habt da auch schon ein Beispiel genannt.

00:12:24: aber kannst du vielleicht mal so den Stand jetzt bei den herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien nennen?

00:12:29: Was ist denn so das Verhältnis zwischen diesen Anteilen irgendwie, Aktiv-Material und Totem-Material im Moment?

00:12:36: In der Batteries hat man ja außerdem Aktifmaterial, das sind dann eben an der Kathode also Grafit, bzw.

00:12:43: das Metalloxid.

00:12:44: zu den Todmaterialien zählen dann eben die Ladungssammler aber darüber hinaus noch separator der die Elektronen trennt und elektrolyt.

00:12:53: und wenn man jetzt schaut wie viel ist das?

00:12:55: Also dann hat man an der Elektronendicke standardmäßig so etwa neunzig Mikrometer typischerweise oder zwischen fünfzig und hundert Mikrometern.

00:13:03: Wenn wir jetzt vielleicht konkret anschauen was es der Anteil des Ladungssammlers, da hat man tatsächlich in den letzten fünfzehn Jahren schon große Fortschritte gemacht.

00:13:12: Also im Jahr zwei Tausend Zehen hatte man noch eine dicke von zwanzig oder dreißig Mikrometer für die Ladungs-Sammler an Nodekathode und das konnte man inzwischen schon reduzieren auf neun bis zehn Mikrometern also schon signifikant und dadurch auch die Energiedichte erhöhen um zwischen sechs und drei zehn Prozent.

00:13:30: Also diese Verdüngung hat schon was gebracht, aber da kommt man jetzt tatsächlich an eine Grenze.

00:13:33: Denn irgendwann ist die mechanische Stabilität der Ladungsammer dann nicht mehr hoch genug wenn sie zu dünn werden und viel dünner als ich sage mal so sechs oder wenige Mikrometer kann man da nicht mehr werden.

00:13:46: das heißt wenn man es auf jeden Fall super wenn man versucht die Toten- oder inaktiven Materialien zu reduzieren und auch wirklich ein wichtiges Forschungsfeld.

00:13:54: Das heißt, ihr habt einen Prototyp und ihr habt jetzt auf beiden Seiten sozusagen statt einer Folie den Fließ eingebaut und ja ihr habt natürlich jetzt auch dann umgekehrt noch mal eine Pouchzelle gebaut die mit normalen Folien funktioniert und habt das jetzt gegeneinander gehalten, auch in dieser Energiedichtung.

00:14:14: Kannst du da mal bitte drauf eingehen wie viele Energiedichten wir da genau haben?

00:14:17: Und dann bei eurer Innovation

00:14:21: Also die Pouchzehende, die wir gebaut haben auf der Basis von Folien.

00:14:24: also herkömmlich erreichen wir ca.

00:14:27: two hundred seventy Wattstunden pro Kilogramm und wenn man das die Folie ersetzt durch des Fließs und dann auch weniger separatoren verwendet kommt man auf circa drei hundert Watt Stunden pro Kilagramm.

00:14:40: Also ca.

00:14:41: zwanzig bis dreißig Prozent mehr als mit der entsprechenden Folie selben Aktivmaterial erreicht.

00:14:51: Das war also auf der Anodenseite, Grafit als Aktiv-Material und auf der Kartotenseite NMC six zwei zwei.

00:14:59: Ja, Birgit die Helmholt-Schicht spielt bei Batene eine tragende Rolle.

00:15:04: da haben wir in diesem Podcast glaube ich noch nie darüber gesprochen.

00:15:06: das wird jetzt auch ein bisschen komplexer.

00:15:08: kannst du das vielleicht mal so einfach wie möglich irgendwie erklären was das eigentlich für ne Schicht ist?

00:15:12: Und was sie in der Zelle zu tun hat?

00:15:15: Was für ne Aufgabe sie erfüllt?

00:15:17: Also Helmholtzschicht, die auch elektrische Doppelschicht heißt sonst.

00:15:21: Tritt eigentlich in jedem elektrochemischen System auf das eine Elektrode hat, die Elektronen leitet und einen ionischen Leiter.

00:15:29: also zum Beispiel wie in der Batterie der Flüssig-Elektrolüte.

00:15:32: Und wo diese zwei Phasen aufeinandertreffen tritt dieser Doppel schicht auf?

00:15:37: Das sieht einfach daran dass sich sozusagen die Ionen als wenn man so möchte Ladungsträger mit den Elektronens als Ladungsträgern aufeinander treffen und sich dann eine Schicht mit entgegengesetzt gepulten Ladungsträgern bildet an dieser Grenzfläche.

00:15:53: Und natürlich, genau in der Batterie tritt diese Grenzschicht immer auf.

00:15:56: An jedem Kontaktstelle sozusagen tritt die auf und mit größerer Oberfläche hat man dann auch mehr von dieser Doppelschicht.

00:16:02: Man kann da in der batterie verschiedene Prozesse studieren.

00:16:05: zum Beispiel die SI wurde schon erwähnt.

00:16:07: Man kann zum Beispiel durch Betrachtung dieser elektrischen Doppelschicht, durch gewisse Messungen was über die Bildung der SEI erfahren.

00:16:14: Was zum Beispiel auch interessant ist man kann zu sogenannten Pseudokapazitiven Ladungsverhalten kommen also wo die Ladungsspeicherung ein bisschen anders als in traditionellen Lithium-Ionenmaterialien funktioniert wenn man viel von diesen Grenzflächen hat.

00:16:27: das ist zb bei organischen Elektronenmaterialien oft der Fall.

00:16:31: Also die erhöhte Beweglichkeit von den Lithium-Millionen basiert darauf, wenn ich einen Flüssigelektrolyte habe sind die Lithium millionen ja solidatisiert.

00:16:40: Das heißt sie haben Liganten um sich herum und wenn ich jetzt ein Lithium Million wäre bewege ich mich praktisch durch den Raum aber ich hab praktisch rechts und links jemand unter den Arm gegriffen was das meine Beweglichkeit enorm einschränkt.

00:16:54: Und wenn ich als positiv Lithium Millionen gegen eine einen negativ geladenen Stromableiter, den Kontaktiere werden diese Liganten abgezogen und das reine Lithiumion sitzt praktisch auf einem Stromabbleiter.

00:17:11: Und kann sich jetzt entlang des Stromabletters enorm schnell bewegen weil dieser Belast abgestreift worden ist.

00:17:19: Der Hauptpunkt ist die Lithium-Ionen verlieren ihre Resolvatisierungsumgebung und können sich dadurch enorm schnell durch entlang dieser Wege, wir nennen das Autobahnen, durch dieses Aktivmaterial bewegen.

00:17:35: Jetzt ist es ein ganz wichtiger Schritt in der Batteriezellherstellung, das Aktiv-Material, das nennt man auch dann in der Industrie Slurry, das ist so eine dunkle Zähepaste die dann wiederum auf die Folie aufzutragen.

00:17:48: Birgit kannst du mal darstellen wie wird das denn im Moment gemacht?

00:17:51: Erklär das mal bitte!

00:17:52: Also zuerst mischt man das Aktivmaterial mit einem Lightruse, den man eben braucht für den Elektronentransport und einen Bindermittel.

00:18:02: Normalerweise in einem Lösungsmittel – wie du gerade gesagt hast – gibt es ein Slurry also so eine sehr viskose Mischung die man herstellt.

00:18:11: da gibt's verschiedene Mischverfahren irgendwas was viel Energie reinbringt in diese Mischungen zum Beispiel Planetenmischer nennt sich das oder ein anderes Displaygerät.

00:18:21: Dann bekommt man diese Viskose Paste und die wird dann eben auf die Ladungssammlerfolie aufgetragen, also möglichst gleichmäßig.

00:18:27: Das gängigste Verfahren ist Slot-Dye heißt das Verfahren, also sogenannte Schlitzdüse.

00:18:34: Und dann muss man trocknen.

00:18:37: Es auch ein sehr energieintensiver Prozess tatsächlich in der Produktion um dieses hochsiedellösesmittel loszuwerden.

00:18:43: Und nach dem Trocknen schneidet man eben die beschichteten Ladungssammler in die Größe, die man haben möchte und dann kann man sie in der Batterie einbauen.

00:18:52: Joachim das stelle ich mir jetzt ehrlich gesagt sehr kompliziert vor.

00:18:56: wenn man jetzt diese ganzen Aluminium- und Kupferdrähte hat wie macht ihr es denn in eurem Fall?

00:19:01: Wie tragt ihr das Aktivmaterial auf diese Drähte auf?

00:19:04: Wir machen es auch mit Doctor Plating also schmiert und man zieht das den Slurry über das Fließ hinweg.

00:19:14: Und dadurch, dass es Flies sozusagen sehr porös ist – das ist ganz wichtig!

00:19:17: – haben ninety-fünfundneinzig Prozent Porosität wird bereits dieses Slurry eingezogen durch Kapilaeffekte.

00:19:23: Das heißt der Herstellungsprozess ist sehr ähnlich, dass man die Paste, die elektroden Paste über diesen Flies hinwegzieht was dann praktisch hineingezogen wird.

00:19:35: Wie wird dieser Fließ selber hergestellt?

00:19:38: Wie stellt man so eine Struktur überhaupt her.

00:19:41: Es sind zwei Schritte, als erstes die ultrafine Phasern herstellen.

00:19:45: Das ist ein Meltspin-Prozess oder man kann das auch ... So ähnlich wie Zuckerwatte herstellen, Zuckerwatt.

00:19:53: Oktoberfest passt momentan, hat jeder mal irgendwo gesehen.

00:19:56: D.h.,

00:19:57: da wird irgendwie durch uns schnell rotieren Oberfläche werden praktisch aus Metalltropfen dann Fasern herausgezogen.

00:20:05: Und diese Faseren sind sehr, sehr fein.

00:20:08: Die haben Zehntel von einem Haarduchmesser also es ist wirklich sehr, Sehr fein im Bereich von ja zehn, zwanzig Mikrometer und sind auch in der Länge kontrolliert.

00:20:19: Der letzte Schritt ist wie bei der Papierherstellung Papier wird auch hergestellt, indem man Holzfasern praktisch dispergiert und dann auf einer Membran abscheidet.

00:20:30: Und dann organisiert sich das.

00:20:32: Das ist letztendlich eine Kombination aus einem Prozess als Meltspinning und dann Papierherstellung.

00:20:38: Dadurch ist die Skalierbarkeit gegeben.

00:20:42: Beide Prozesse sind enorm skalierbares so dass man auch die großen Mengen eine Batterie im Markt dann verwendet werden muss, um die Kosten zu reduzieren verfügbar macht.

00:20:55: Wie stellt man die Elektrode mit euren Fliesen her?

00:20:58: Wie kommt die beiden Materialien jetzt zusammen?

00:21:00: Man legt das Flies auf eine Oberfläche, benetzt diese Oberflächen mit dem Slurry, mit dem flüssigen Aktivmaterial, Elektrodenmaterial und dann zieht man einen Messer auf der Höhe des Flieses über das Fließ hinweg, sodass der Slurry praktisch homogen verteilt wird über das gesamte Fließ und dann trinkt es ein.

00:21:23: Trocknet!

00:21:25: Und kann dann kalandriert werden, also verdichtet werden wie herkömmlicher Kalander, der auch in der Zellherstellung verwendet wird und dann geschnitten werden nach dem Trocknen.

00:21:39: Die Zukunft ist sicherlich die und da sind unsere Fließe im besonderer Weise auch geeignet für uns dass man letztendlich trockenbeschichtet.

00:21:46: Also Dry Coating ist ja eigentlich der Schritt, den die Industrie auch sucht um diese Kosten der Trocknung des Händelns dieses toxischen Lösungsmittels zu verhindern.

00:21:58: und da haben wir eben ein sehr poröses Flieh, also ninety-fünf Prozent davon ist sozusagen Luft und ganz feine Phasen dazwischen.

00:22:08: und dann kann ich diesen Sand, wenn ich es getrocknet habe, das aktive Sand relativ einfach einfüllen reinrieseln lassen.

00:22:16: und so gesehen ist es prädestiniert dafür auch dicke Schichten durch Trockenbeschichtung herzustellen.

00:22:24: Und wer jetzt meine Vorhersage dann, wie die Elektronen auch in ein paar Jahren dann serienmäßig gebaut werden?

00:22:29: Liebe Podcast-Hörerinnen und Hörer!

00:22:31: Jetzt kriege ich gerade ganz große Augen weil ich das wirklich gar nicht erwartet habe.

00:22:35: Joachim jetzt musst du nochmal kurz unterstreichen Das geht natürlich nicht bei gewickelten Zellen, bei zylindrischen Zellen.

00:22:41: Sondern hier spezialisiert euch wahrscheinlich auf Pouch und prismatisch irgendwie?

00:22:46: Es hängt jetzt davon ab wie dick die Elektrode ist.

00:22:49: Also wenn ich eine Elektroda mit dem Fließ herstelle, die auch, sagen wir mal, hundert-hundertfünfzig Mikrometer dicke hat dann kann ich die auch wickeln.

00:22:56: Dann ist sogar das Fließ ein mechanisches Netz was das Ganze stabilisiert.

00:23:01: Wenn ich natürlich eine elektrode Baue, die sag' ich jetzt mal vierhundert fünfhundert Mikrometern dick isst, dann ist es wie in Frisbee Dann ist es sehr steif und dann wird man diese Elektrode nicht mehr wickeln wollen, weil die Krümmung einfach zu schwierig ist.

00:23:14: Aber kann natürlich auch ein dünne Elektroden herstellen und dann kann man das genauso wickelt.

00:23:20: Das Fließ selber ist hochelastisch, hoch flexibel was nicht daran hindert dass die Elektroda gebogen werden könnte.

00:23:29: Okay,

00:23:29: das heißt wir haben jetzt gehört.

00:23:31: Wir haben hier eine tolle Innovation auf Zellebene, wir haben ein Prototypen.

00:23:35: aber es ist natürlich auch spannend.

00:23:37: wie geht's weiter?

00:23:37: Wie gehts in eine potenzielle Massenfertigung?

00:23:40: Begelt du bist sozusagen eine Außenstehende.

00:23:43: hier hast du jetzt alles gehört.

00:23:45: was sind denn so die größten Hürden aus deiner Sicht irgendwie auf dem Weg in den Markt mit so einer Innovation?

00:23:50: Ja in den letzten Jahren sind ja weltweit Fabriken entstanden um Lithium-Ionenbatterien herzustellen also wir genau in enormer Kapazität.

00:24:00: Und da wurden natürlich diese Verfahren, die wir gerade beschrieben haben etabliert wie man jetzt die Elektroden herstellt und schneidet usw.

00:24:10: Da würde ich vielleicht also einen Knackpunkt sehen dass man da gewisse Dinge umstellen müsste und natürlich auch dann die Überzeugungsarbeit leisten das sich diese Umstellung lohnt.

00:24:22: Das ist ja schon eine kurios Geschichte, dass ihr sozusagen aus der medizinischen Forschung so eine Batterie-Innovation auf den Weg gebracht habt.

00:24:30: Also erzähl noch mal kurz wie seid ihr überhaupt darauf gekommen?

00:24:33: Wofür war vielleicht dieser Fließ ursprünglich in der medizinischen Forschungen gedacht und wir habt ihr denn Bezug auch zu Batterien dann letztendlich gefunden?

00:24:42: Also das MPI für Medizinische Forschung ist ein sehr interdisziplinäres Institut d.h.

00:24:47: die Arbeiten Physiker, Chemiker auch Ingenieure inzwischen zusammen und auch Biologen und Medizin, aber es ist kein rein medizinisches Institut.

00:24:57: Also ich bin selber Physiker.

00:24:58: Ich habe mich schon immer für die Strukturierung dreidimensionaler Materialien interessiert und eines mich damit beschäftigt wie kann ich letztendlich aus feinste Metallphase nicht zum Beispiel noch als Matrix für Zellen nutzen könnte um zählen zu besiedeln und ein Dreidimiss nach wachsen zu lassen?

00:25:18: Ich denke, dass was alle meine Forschungsthemen vereint.

00:25:22: Wie kann ich letztendlich dreidimensionale Strukturen aufbauen und sie dann aber auch mit Energie versorgen?

00:25:28: Wenn ihr zum Beispiel in die Haut reinschaut oder in Gewebe ganz allgemein rein schaut oder dann auch im Pflanzenen Bäumen da ist die Versorgung durch dreidemissionale kapillare Netzwerke gegeben.

00:25:41: Und wenn ich das Ganze jetzt mir in einer Batterie anschaue, ist es heutzutage noch nicht der Fall.

00:25:46: Es ist eine Schichtstruktur zweidimensional und das Problem ist auch hier die Versorgung mit Ionen und Elektronen.

00:25:53: und die Natur macht das eben vor dass es in drei Dimensionen sehr viel besser effizienter funktioniert.

00:25:58: und wir haben dann da über Batterien nachgedacht.

00:26:01: am Anfang haben wir gesagt okay wir können die elektrische Leitfähigkeit erhöhen indem wir da metallische Fasern durchs Aktivmaterial bringen haben das dann zeitgleich simuliert im Computer und haben gesehen die dicken an Elektroden, die wir herstellen können.

00:26:16: Und die funktionieren sind eigentlich nicht machbar wenn nicht auch die Lithiumbeweglichkeit erhöht wird.

00:26:23: Daraufhin haben wir bereits herausgefunden dass auch diese Helmholtzschicht an der Elektrolüt Metalloberfläche entsteht was dann die Lithiumsbewegligkeit auch noch erhöht.

00:26:34: Birgit, fass doch noch mal ganz kurz zusammen.

00:26:36: Die Batterieforschung ist ja auch sehr interdisziplinär.

00:26:39: Welche Disziplinen arbeiten denn dort zusammen?

00:26:42: In der Batterie sind ganz viele Materialforscherinnen und Forscher aktiv.

00:26:46: Und sehr viel haben Chemie-Hintergrund.

00:26:49: Sei es anorganische oder organische Chemie, physikalische, theoretische Chemien.

00:26:53: Aber auch Physik ist natürlich wichtig wie jetzt wir von Joachim gehört haben.

00:26:58: Elektrochemie natürlich ist ein großer Bestandteil Aber das ist dann sozusagen auch Seldi, wo?

00:27:04: wenn es dann in die Fertigung geht braucht man spätestens dann die Ingenieurwissenschaften.

00:27:08: Die auch die Anlagen Bau, die Erprozessierung wie baut man die Batterie zusammen und sich mit Batteriemanagement System beschäftigen.

00:27:16: Joachim jetzt wollt ihr diese Zelle diesen Prototyp natürlich irgendwo skaliert anbieten?

00:27:22: Ihr seid jetzt schon mit Automobilherstellern im Gespräch.

00:27:25: Ihr plant eine Pilot-Anlage.

00:27:27: was ist dein Traum für die nächsten Monate und Jahre?

00:27:30: Mein Traum als Wissenschaftler bei dem Marx-Plan-Gesellschaft ist der, dass wir irgendwann diese grundlegende Entdeckung die wir haben in einem Produkt wiedersehen und das das Produkt dadurch verbessert worden ist.

00:27:40: Und der Weg dahin ist natürlich die Skalierung.

00:27:42: Das ist ganz klar.

00:27:44: also eine Superpatterie im Labor heißt noch lange nicht, dass es in den Produkt sich wiederfindet und da ist die Skaliere natürlich das A&O Pilotanlage, die diese Skalierungsschritt dann zeigen wird.

00:28:03: Und der wird im Jahr zwanzig sechsundzwanzig also angegangen.

00:28:08: Mitte Ende des Jahres zwanzzig sechsund zwanziger hoffen wir dass wir mit dieser Skalierung aufbau dieser Anlage dieser Pilotanlagen beginnen können.

00:28:19: Patrick hat es schon erwähnt, ihr kooperiert ja scheinbar mit Automobilherstellern.

00:28:24: Kannst du da ein bisschen näher drauf eingehen?

00:28:26: Was sind das für Automobil-Hersteller?

00:28:27: Sind das deutsche europäische oder chinesische?

00:28:30: und wie weit gehen diese Kooperationen?

00:28:32: also ist da vielleicht auch geplant dass man dann wirklich am Ende versucht irgendwann die Gigafactory irgendwie damit aufzubauen?

00:28:39: Also ganz wichtig ist, dass man in diesem Batteriegeschäft auch einen großen Partner findet, einen strategischen Partner findet der hilft zu skalieren.

00:28:50: Das Geschäft ist so groß skalig und so investitionsintensiv dass eine kleine Start-up viel zu lange brauchen würde um letztendlich dann das Produkt in den Markt zu bekommen.

00:29:03: Und da haben wir kooperieren mit einem Automobilhersteller aus Deutschland und auch im europäischen Ausland.

00:29:16: Und wir haben auch eine Kooperation mit einem asiatischen Hersteller, da geht es letztendlich darum um Entwicklung eines bestimmten Zellformates der dann auf dem Weg in ein Produkt des jeweiligen Kunden ermöglicht.

00:29:35: Ein drittes Beispiel ist aus medizinischem Bereich das heißt ein Batteriehersteller für Implantate Gerade auch Hörgeräte müssen immer kleiner werden, damit man sie nicht sieht.

00:29:49: Aber sie dürfen natürlich in der Leistung keine Einsparungen haben.

00:29:52: Das heißt die Batterie muss mit schrumpfen aber die Leistung muss gleich gut bleiben oder besser werden.

00:30:00: und da versprechen wir uns dann auch dass wir ein Design aufbauen können, wo man weniger Taps braucht.

00:30:09: Dadurch da Volumen einspart insgesamt die Energiedichte und die volumetrische Dichte

00:30:13: erhöht.".

00:30:14: Ein Thema haben wir jetzt komplett um Schift wird aber dann relevant wenn wir über Anwendung sprechen.

00:30:19: wie für Ladezyklen hat denn tatsächlich euer Prototyp erreicht?

00:30:23: ich stelle mir vor die meisten den Dritten sozusagen im Übergang.

00:30:27: Elektrode-Elektrolüte werden wahrscheinlich ähnlich sein zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien.

00:30:32: Dieser, sozusagen dieser Fleece, dieser Metallfleece hat der irgendwie irgendwas zu tun mit verkürzter Lebensdauer?

00:30:40: Also wir erreichen und das sind ja Prototypen die handgefertigt sind, die in keiner Weise auch da zu optimiert sind.

00:30:45: Auch sind es kleine Zellen keine großen Zellen.

00:30:49: Das sind alles Faktoren wo die Lebenszeit eher reduziert wird wie erhöht wird.

00:30:53: Wir erreichen aber mit unseren Prototypem also Werte sind zum Beispiel sieben Unterzyklen Siebenundachtzig Prozent der ursprünglichen Energie theoretischen Kapazität.

00:31:07: Und es sind Werte, die absolut kompetitiv sind mit den jetzigen Elektronen oder Batterien.

00:31:15: und wir erwarten eigentlich dass die mechanische Integrität auch durch das Fließ erhöht wird und dadurch die Stabilität erhöht weil das fließ praktisch mit dem Volumen Zuwachs und wieder Reduzierung mit Laden und Entladen, diese Zyklen eher adaptiert wie eine Dünnschicht Elektrode.

00:31:34: Aber das sind Sachen die wir erst in den nächsten Jahren auch wirklich zeigen können.

00:31:38: damit richtig auch Modulen, die wir jetzt zum Beispiel den Partnern, die ich genannt habe zusammenbauen werden.

00:31:45: Ja Birgit Joachim herzlichen Dank für eure Erklärung!

00:31:48: Liebes Publikum, wir sind für euch wieder am nächsten Sonntag da.

00:31:51: macht's gut bis dahin.

00:31:52: Tschüss!