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Simulation macht Batterien effizienter

Batterien werden bei der Energiewende einen erheblichen Beitrag leisten. Denn sie sollen als Zwischenspeicher für den Strom aus regenerativen Energien dienen. Die Effizienz dieser Stromspeicher zu verbessern, daran forscht Tobias Hofmann, Doktorand der TU Kaiserslautern, am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik. Am Computer entwickelt er Simulationen, mit denen er die Eigenschaften der Materialien, die in Batterien verbaut sind, auf Mikroebene überprüfen kann.

Von Unispectrum live • Melanie Löw

Und sie hält und sie hält und sie hält… – was vor Jahren in einem Werbespot galt, hat heute keineswegs an Aktualität verloren. Wir erwarten viel von Batterien: Sie sollen klein, leicht und sicher sein. „Außerdem sollen sie möglichst lange halten“, sagt Tobias Hofmann, Doktorand der TU Kaiserslautern. Der Akku des Smartphones soll nach Möglichkeit ewig Strom liefern, die Batterien des Fotoapparats sollen bitte solange durchhalten, bis die Sightseeing-Tour beendet ist und das Elektroauto soll uns künftig ohne „Nachtanken“ etwa von Kaiserslautern nach Berlin fahren.

Dank der Energiewende kommt Batterien in den nächsten Jahren eine immer wichtigere Bedeutung zu: Sie sollen regenerative Energien zwischenspeichern. Doch wie müssen diese Stromspeicher aufgebaut sein, um den unterschiedlichen Bedürfnissen gerecht zu werden? „Hierbei spielen verschiedene Faktoren eine Rolle“, so Hofmann, „etwa die Zusammensetzung der Materialien, ihre Strukturen oder die Leitfähigkeit der Elektrolytlösung.“

Am Fraunhofer Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik und am Fraunhofer-Innovationszentrum beschäftigen sich Wissenschaftler um Dr. Konrad Steiner mit den Batterien von morgen. Im Vergleich zu Materialwissenschaftlern steht das Forscherteam aber nicht im Labor, um jedes einzelne Material bei aufwendigen Versuchen zu testen. Sie arbeiten am Rechner: Die Wissenschaftler entwickeln Simulationen, um die Eigenschaften von verschiedenen Batterien, wie etwa Lithium-Ionen-Batterien, zu testen.

Auch Tobias Hofmann gehört zu diesem Team. Während sich seine Kollegen teilweise riesigen Batterien ummantelt von Stahlgehäusen widmen, wirft Hofmann gewissermaßen einen Blick ins Innere der Stromspeicher. „Ich untersuche die unterschiedlichen Materialeigenschaften auf Mikroebene“, so Hofmann. „Dabei schaue ich mir die Strukturen und elektrochemischen Vorgänge im Detail an.“

Wir können so herausfinden, welche Batterie sich für welches Einsatzgebiet am besten eignet

Tobias Hofmann

Je nachdem welcher Materialmix in Batterien zum Einsatz kommt, ist etwa die Speicherkapazität unterschiedlich. „Viel hängt zum Beispiel vom Aufbau des Materials ab. Es gibt chemische Verbindungen, die Lithium-Ionen besser speichern können als andere. Feste Materialien verhalten sich anders als Pulver“, erklärt Hofmann, der an der Technischen Universität München Mathematik studiert hat und wegen seiner Promotion nach Kaiserslautern gezogen ist. „Bei Pulver spielt wiederum die Größe der einzelnen Körner eine Rolle.“ Kurzum: Für Batterien gibt es unzählige Kombinationsmöglichkeit. Mit seinen Modellen simuliert Hofmann diese unterschiedlichsten Szenarien am Computer und überprüft, wie sich die Materialien in der Batterie verhalten.

„Wir können so herausfinden, welche Batterie sich für welches Einsatzgebiet am besten eignet“, erklärt Hofmann. – Also welche Stromspeicher zum Beispiel Elektroautos länger fahren lassen oder welche Akkus das Smartphone länger am Netz halten. Diese Computermodelle könnten auch helfen, passende Stromspeicher für die regenerativen Energien zu finden. Zudem könnte die Industrie von der Arbeit der Forscher profitieren. Mithilfe der Simulation könnten Unternehmen die für ihre Bedürfnisse passende Batterie schneller heraussuchen und so Kosten sparen.

Tobias Hofmann hat eine eigene Webseite, auf der er die elektrochemischen Prozesse, die in Batterien ablaufen, erklärt: www.lisa-lithium.de
 

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Erstellt
am 11.05.2016 von
Melanie Löw