Batterieforschung: Start für das erste vollautomatische Labor

Professor Helge Stein erläutert Ministerin Theresia Bauer einen Teil der neuen Materialbeschleunigungsplattform. (Foto: Daniel Messling, KIT)

Start der neuen Hightech-Anlage: Professor Michael Weber, Präsident der Universität Ulm, Professor Maximilian Fichtner, Professor Joachim Ankerhold, Vizepräsident der Universität Ulm, Ministerin Theresia Bauer, Professor Oliver Kraft, Vizepräsident des KIT für Forschung, sowie Tenure-Track-Professor Helge Stein. (v. l. n. r.; Foto: Daniel Messling, KIT)

Rund um die Uhr Batterien bauen, tausende Grenzflächen analysieren, die Ergebnisse mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI) autonom auswerten und dann gleich das nächste Experiment planen: Eine neue Anlage beim Exzellenzcluster POLiS erledigt die Materialentwicklung vollautomatisch und digital. Das autonome Forschungslabor entstand in einer Kooperation des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Universität Ulm sowie des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) und ist nun in Betrieb gegangen. Beim Start mit dabei war die baden-württembergische Wissenschaftsministerin Theresia Bauer.

Für die Verkehrs- und Energiewende werden neuartige leistungsfähige und nachhaltige Batterien benötigt. Dies stellt eine große Herausforderung dar, denn von der Idee bis zum fertigen Produkt dauert es mit gegenwärtigen Methoden Jahrzehnte. Mit einer nun fertiggestellten High-Tech-Anlage bei POLiS soll es zukünftig sehr viel schneller gehen. Entwickelt wurde das Leuchtturmprojekt im Exzellenzcluster POLiS, in dem das KIT gemeinsam mit der Universität Ulm an den Batterien der Zukunft arbeitet. „Mit der Förderung dieser neuen Materialentwicklungsplattform ist eine weltweit einmalige Forschungsinfrastruktur entstanden. Wir erhoffen uns einen deutlichen Schub für die Forschung an Energiespeichern, die bei der Umstellung unseres Energiesystems und unserer Mobilität unerlässlich sind. Zugleich konnten wir mit der Förderung Professor Helge Stein als einen kreativen und umtriebigen Kopf für unser Team in Ulm gewinnen“, sagt Theresia Bauer, Ministerin für Wissenschaft, Forschung und Kunst in Baden-Württemberg, die POLiS und das HIU anlässlich des Starts besuchte.

Weltweit erste vollintegrierte Plattform zur beschleunigten Forschung zur elektrochemischen Energiespeicherung

Helge Stein, Tenure-Track-Professor am KIT und POLiS-Forschungsbereichssprecher erklärt die Vorzüge der Anlage: „Wir sind nun in der Lage, Batterien und deren Einzelkomponenten automatisiert zu synthetisieren und zusammenzubauen, eine Messung anzustoßen und diese vollautomatisiert auszuwerten. Basierend auf der Datenlage kann die KI-gestützte Anlage sogar entscheiden, welches Experiment als nächstes durchgeführt werden soll.“ Mit seiner Forschungsgruppe hat Stein die zugrundeliegende kombinatorische Materialsynthese, die Hochdurchsatz-Charakterisierung sowie die Data-Mining-Techniken unter Zuhilfenahme von Methoden der KI in der Versuchsauswertung und -planung entwickelt. Die Anlage mit dem Namen PLACES/R (Platform for Accelerated Electrochemical Energy Storage Research) stellt die weltweit erste vollintegrierte Plattform zur beschleunigten Forschung zur elektrochemischen Energiespeicherung dar.

Neues Paradigma für die Batteriematerial-Entwicklung

Batterieforschung ist geprägt von der Suche nach der idealen Kombination aus Materialien, deren Zusammensetzung und Verfahrenstechniken. Alle möglichen Variationen mit allen Materialien zu testen, würde mit klassischen Methoden allerdings Jahrtausende in Anspruch nehmen. „Unsere Anlage kann mehrere hundert solcher Variationen am Tag testen. Dies entspricht in etwa dem durchschnittlichen Lebenswerk eines Forschenden“, so Stein. Neben der Beschleunigung durch Automatisierung kann durch die Algorithmen und KI eine zusätzliche, um den Faktor zehn schnellere Optimierung erreicht werden und vielversprechende Batteriekonzepte damit noch schneller und kostengünstiger zur Marktreife gebracht werden.

Eingebettet ist die neue Forschungsanlage in einen europäischen Rahmen: Die erfassten Daten aus allen Bereichen des Batterieentwicklungszyklus werden mit 34 Institutionen aus 15 Ländern im Projekt BIG-MAP der europäischen Forschungsinitiative BATTERY2030+ geteilt. „Das vollautomatisierte Labor wird uns und unsere europäischen Partner nicht nur in die Lage versetzen, Komponenten für neue Batterien viel schneller entwickeln zu können. Es wird auch sicherstellen, dass Batterien zu so niedrigen Kosten hergestellt werden können, dass es in Zukunft noch attraktiver sein wird, Strom zum Beispiel aus Sonne und Wind in Batterien zu speichern“, sagt Professor Maximilian Fichtner, geschäftsführender Direktor des HIU sowie Sprecher von POLiS.