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Die Batterien für den Antrieb der Zukunft entwickeln

Gemeinsam mit einer Kollegin prüft Laborleiter Dr. Martin Schulz-Dobrick die Qualität einer Elektrode.

Im Labor für Batteriematerialien in Amagasaki/Japan entwickeln Forscher von BASF innovative Materialien, die die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien verbessern und die Reichweite von Elektrofahrzeugen steigern sollen.

Montagmorgen um 9 Uhr setzt sich der organische Chemiker Dr. Masaki Sekine an seinen Computer, um die E-Mails zu lesen, die er von Kollegen erhalten hat, mit denen er in Deutschland und an anderen Standorten des internationalen BASF-Netzwerks von Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen für Batteriematerialien zusammenarbeitet. Sekine arbeitet bei der neuesten Ergänzung dieses Netzwerks, dem Labor für Batteriematerialien im japanischen Amagasaki, das Anfang 2014 eröffnet wurde. Er erwartet Rückmeldungen von Kollegen zu seinen Bemühungen, ein „völlig neues Molekül, das es noch nie zuvor gegeben hat“, zu entwickeln. Sekine ist Teil des Teams, das innovative Materialien für Additive in Elektrolyten synthetisiert. Diese sind das chemische Medium, das in einer Batterie das Fließen von Lithium-Ionen zwischen der positiven Elektrode, der Kathode, und der negativen Elektrode, der Anode, ermöglicht. Die neuen Additive beeinflussen die elektrochemischen Reaktionen in der Batterie und können sich daher auf deren Leistung auswirken.

Welche Arten von Additiven Sekine schafft, hängt davon ab, welchen Aspekt ihrer Batterien Kunden verbessern wollen. Viele Kunden des Labors sind japanische Hersteller von Lithium- Ionen-Batterien, die neue Batterien für Elektrofahrzeuge entwickeln. Ihnen geht es um Verbesserungen wie eine höhere Energiedichte, eine größere Hochtemperaturstabilität oder eine erhöhte Zyklusleistung, womit die Zahl der möglichen Entlade- und Ladevorgänge bezeichnet wird. Um ein neues Additiv zu erzeugen, nutzt er ein Verfahren organischer Synthese. Die Synthese des Additivs erfolgt in einem Lösungsmittel, das nach erfolgreicher Reaktion wieder abgeschieden werden muss.

„Die Reinigung der Additive
ist ein schwieriger Teil des Verfahrens“, sagt Sekine. „In vielen Fällen läuft sie nicht wie geplant. Und in den meisten Fällen erfüllt der Reinheitsgrad nach einem einzigen Reinigungsdurchgang noch nicht die strengen Anforderungen für Batterieadditive. Selbst winzige Verunreinigungen können zu unkontrollierten Reaktionen führen und so die Leistung der Batterie beeinträchtigen, etwa das Risiko erhöhen, dass sich die Batterie entlädt, während sie nicht in Gebrauch ist.“ Die Arbeit in einem weltweiten Netzwerk ist anregend und kann helfen, Lösungen schnell zu finden. „Einmal kam ich bei einer Synthese nicht weiter“, erinnert sich Sekine. „Theoretisch waren mehrere Synthesewege möglich, aber es hat nicht funktioniert. Dann hat mich ein Kollege aus Deutschland kontaktiert und mir einen anderen Katalyseweg vorgeschlagen, der erheblich effizienter war.“ Solche Rückmeldungen und eine offene Zusammenarbeit sind von entscheidender Bedeutung. Deshalb ist der nächste Schritt für Sekine, seine Ergebnisse mit der elektrochemischen Testgruppe des Labors zu diskutieren.

Testrunde 1, 2, 3, 4 ...

Ein Mitglied der Testgruppe ist
 Dr. Zhen-Ji Han, die ursprünglich aus Yanji in China kommt und 2013 in das Team kam. Sie hilft dabei, Elektrolytformulierungen 
zu entwickeln, und führt elektrochemische Tests für Batterien mit Anodenmaterial der nächsten Generation durch. Ihre Aufgabe
ist es, die neuesten synthetisierten Additive zu testen. Sie bringt das neue Additiv in den Zellfertigungsraum, wo sie
 es – ausgestattet mit Overall, Schutzhandschuhen und -brille
 – mit einem vorbereiteten Basiselektrolyt vermischt und die Lösung anschließend in eine Testzelle spritzt. Dadurch kann sie die elektrochemischen Eigenschaften der Zelle untersuchen. Die Batterieleistung verschlechtert sich mit dem Gebrauch, aber auch im Laufe der Zeit. Jeder dieser Aspekte – Leistung, Lebensdauer und Zyklusfestigkeit – muss getestet werden. Um Letztere zu testen, wird die Zelle in einem Cycler platziert, wo sie über einen Zeitraum von Wochen oder Monaten immer wieder aufgeladen und entladen wird.

Han bespricht ihre Ergebnisse mit der Synthesegruppe. „Da wir mehr über die chemischen Interaktionen der Batterie wissen, können wir die Synthetisierer beraten, welche Teile der Additive gut funktionieren oder nicht, und wie sie deren Molekularstrukturen am besten anpassen können“, erläutert sie.

„Unser Knowhow in der Entwicklung von Kathoden- und Elektrolytmaterialien und unsere Fähigkeit, als ein Team zusammenzuarbeiten, zeichnen uns aus.”

Dr. Martin Schulz-Dobrick, Leiter des Labors für Batteriematerialien in Amagasaki/Japan

Die verschiedenen Anforderungen erfüllen


Ein großer Teil der Arbeit im Labor ist auf die individuellen Kundenanforderungen zugeschnitten. An diesem Punkt kommt Hiromu Sugiyama ins Spiel. Der auf Kathodenentwicklung spezialisierte Forscher arbeitet direkt mit Kunden zusammen und hilft ihnen, ihre Leistungsziele zu erreichen. Dazu gehört das Überprüfen der Testdaten des Kathodenmaterials, um festzustellen, ob der Gehalt an Übergangsmetall für das angestrebte Leistungsspektrum angemessen ist, oder um zu sehen, ob die Partikelgröße und -form eines Materials das Leistungsziel unterstützt oder behindert. „Wir müssen immer berücksichtigen, wie sich die Kathode im Zusammenspiel mit anderen Komponenten in der Batterie verhält“, erklärt Sugiyama, der 2014 zu dem Team gestoßen ist. „Das Testen und die Analyse erfolgen deshalb
 in enger Zusammenarbeit mit anderen Forschungsteams.“

Alles unter einem Dach

„Das Amagasaki-Labor ist in vielfacher Hinsicht etwas Besonderes“, sagt Dr. Martin Schulz-Dobrick, Leiter des Labors. „Es ist die erste Einrichtung von BASF in der Region Asien- Pazifik, in der die Entwicklung von Kathodenmaterialien, Elektroden und Elektrolytmaterialien mit Anwendungstechnologien kombiniert wird. Wir führen nicht nur Grundlagenforschung zu diesen Materialien durch, sondern unterstützen auch unsere Kunden bei der Entwicklung von Batterie-Prototypen. Ein Beispiel für die an speziellen Bedürfnissen eines Kunden ausgerichtete Anwendungsarbeit ist die gemeinsame Entwicklung einer Elektrolyt-Rezeptur. „Wir konzipieren und bauen gemeinsam Testbatterien, die es uns erlauben, unsere Materialien unter Bedingungen zu testen, die den Bedürfnissen unserer Kunden nahekommen. Dadurch beschleunigt sich die gesamte Entwicklung“, erläutert der Laborleiter.

Und die Einrichtung bündelt verschiedene Forschungsgebiete unter einem Dach, was maßgeblich ist. „Das ist der große Vorteil unseres Labors“, so Schulz-Dobrick, der 2013 von der BASF-Zentrale in Deutschland nach Japan wechselte. „Unser Know-how in der Entwicklung von Kathoden- und Elektrolytmaterialien und unsere Fähigkeit, als ein Team zusammenzuarbeiten, zeichnen uns gegenüber anderen Materialienherstellern aus, die Batterieherstellern normalerweise entweder Elektrolyt- oder Kathodenmaterialien anbieten können. Wir sind auf beides spezialisiert."

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