Das Berlin Battery Lab: Forschung an Natrium-Ionen-Batterien

Brain City Berlin

Batterien aus gut verfügbaren Rohstoffen, Sicherheit von Beginn an mitgedacht und kurze Wege in Adlershof: Im Berlin Battery Lab (BBL) bündeln die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), die Humboldt-Universität zu Berlin und das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) ihre Forschung an Natrium-Ionen-Batterien. Ziel ist es, neue Materialien schneller aus dem Labor in die industrielle Anwendung zu bringen. Im Interview erklärt Dr.-Ing. Björn Mieller von der BAM, woran das BBL forscht und was Unternehmen von einer Zusammenarbeit haben.

Das Berlin Battery Lab bringt BAM, HU Berlin und HZB zusammen – drei sehr unterschiedliche Institutionen. Wie funktioniert diese Zusammenarbeit konkret im Alltag?

Innerhalb des BBL werden wissenschaftliche Projekte unter dem Leitthema „Nachhaltige Batteriematerialien“ gezielt miteinander verknüpft, um Synergien bestmöglich zu nutzen. Der regelmäßige Austausch von Forschungsergebnissen, die enge Zusammenarbeit der beteiligten Teams sowie die gemeinsame Nutzung von Infrastruktur, Methoden und Großgeräten schaffen sehr gute Voraussetzungen, um wissenschaftliche Erkenntnisse effizient in anwendungsorientierte Lösungen zu überführen. In das BBL bringen die Partner ihre jeweiligen Stärken ein, darunter umfassende materialwissenschaftliche Expertise, personelle und finanzielle Ressourcen sowie moderne Labor- und Forschungsinfrastrukturen.

Natrium-Ionen-Batterien gelten als vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Systemen. Was genau macht sie interessant, und in welchen Anwendungsfeldern könnten sie künftig eine Rolle spielen?

Natrium-Ionen-Batterien sind vor allem deshalb von großem Interesse, weil sie auf Rohstoffen basieren, die breit verfügbar sind. Zudem weisen sie im Vergleich zu einigen für Lithium-Ionen-Batterien benötigten Materialien geringere Risiken hinsichtlich Verfügbarkeit, Preisentwicklung und geopolitischer Abhängigkeiten auf. Gleichzeitig haben Natrium-Ionen-Batterien in den vergangenen Jahren erhebliche technologische Fortschritte gemacht und erreichen heute Leistungsdaten, die für zahlreiche Anwendungen bereits attraktiv sind, etwa im Bereich der stationären Energiespeicherung oder bei Elektrowerkzeugen.

Ihr Vorteil liegt weniger in der Leistung als in gut verfügbaren Rohstoffen, potenziell geringeren Kosten und höherer Versorgungssicherheit. Bei niedrigen Temperaturen und bei der Sicherheit schneiden sie zudem teils besser ab als Lithium-Ionen-Batterien. Natrium-Ionen-Batterien bieten daher insbesondere dort großes Potenzial, wo eine etwas geringere Energiedichte durch wirtschaftliche oder strategische Vorteile mehr als ausgeglichen werden kann.

Das BBL ist als Material- und Transferlabor konzipiert. Wie gelangt neues Anodenmaterial in die Produktion und wie unterstützt das BBL diesen Weg?

Die industrielle Fertigung von Batteriezellen erfordert nicht nur leistungsfähige Materialien, sondern auch robuste und wirtschaftlich skalierbare Produktionsprozesse. Am Beispiel eines innovativen Anodenmaterials bedeutet dies, dass die zugrunde liegenden Materialeigenschaften und Herstellungsprozesse ausreichend verstanden sein müssen, um eine Übertragung vom Labormaßstab in die industrielle Produktion zu ermöglichen, ohne die Leistungsfähigkeit des Materials zu beeinträchtigen. Dies erfordert die Zusammenarbeit geeigneter Partner, umfassendes technologisches Know-how sowie entsprechende Investitionen. Mit dem Berlin Battery Lab möchten wir diesen Transfer aktiv unterstützen, indem wir an vielversprechenden Materialien und Technologien forschen, Fachkräfte ausbilden, den Austausch mit der Industrie fördern und potenzielle regulatorische sowie sicherheitsrelevante Fragestellungen frühzeitig in die Entwicklung einbeziehen.

Das HZB betreibt mit BESSY II eine Synchrotronstrahlungsquelle. Was lässt sich damit untersuchen, was in einem normalen Labor nicht möglich wäre?

Vereinfacht gesagt ermöglicht BESSY II uns einen besonders detaillierten Blick in das Innere von Batteriematerialien. Das Gerät erzeugt sehr intensive und speziell anpassbare Röntgenstrahlung, die an verschiedenen Messstationen, den sogenannten Beamlines, für wissenschaftliche Untersuchungen genutzt wird. Im Vergleich zu konventionellen Labormethoden lassen sich damit Messungen häufig schneller, mit höherer räumlicher Auflösung oder unter realistischeren Betriebsbedingungen durchführen. Für die Batterieforschung ist dies von besonderem Wert, da sich spezielle Testzellen direkt während des Lade- und Entladevorgangs untersuchen lassen. So können wir die zugrunde liegenden Prozesse in den Materialien besser verstehen und gezielt Ansätze entwickeln, um deren Leistung und Lebensdauer weiter zu verbessern.

Sicherheitsaspekte wie Brennbarkeit und Transportsicherheit sind ein eigenes Forschungsfeld bei der BAM. Welche Rolle spielen sie für die Markteinführung neuer Batterietechnologien?

Die BAM engagiert sich nicht nur in der Forschung zu Batteriematerialien und Technischer Sicherheit, sondern bringt ihre Expertise auch in die Entwicklung von Normen, Standards und Zulassungsverfahren ein. Durch die frühe Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten während der Materialentwicklung, anstatt diese erst in späteren Entwicklungsphasen zu adressieren, können potenzielle Herausforderungen früher erkannt und Lösungsansätze rechtzeitig entwickelt werden. Dies trägt dazu bei, Entwicklungsprozesse effizienter zu gestalten und die Überführung innovativer Technologien in die Anwendung zu beschleunigen.

Das BBL ist ausdrücklich offen für Industriepartner aus Deutschland und Europa. Welche Art von Unternehmen würden besonders von einer Zusammenarbeit profitieren, und wie können sie sich einbringen?

Mit dem Berlin Battery Lab möchten wir grundsätzlich alle Unternehmen ansprechen, die Produkte, Technologien oder Dienstleistungen für die Entwicklung, Herstellung und Verarbeitung von Batteriematerialien anbieten. Die Möglichkeiten der Zusammenarbeit reichen von gemeinsam beantragten Forschungs- und Entwicklungsprojekten über direkte Kooperationsvorhaben bis hin zu Auftragsforschung und wissenschaftlichen Dienstleistungen. Unser Ziel ist es, gemeinsam mit interessierten Unternehmen die jeweils passende Form der Zusammenarbeit zu identifizieren und so den Transfer von Forschungsergebnissen in die industrielle Anwendung bestmöglich zu unterstützen.

Berlin positioniert sich mit dem BBL als Standort für Natrium-Ionen-Forschung. Was macht die Brain City Berlin zu einem geeigneten Ort für diese Art von Forschung?

Im Bereich nachhaltiger Batteriematerialien haben sich an HZB, HU und BAM über die vergangenen Jahre starke und eigenständige Forschungsgruppen etabliert. Nach gemeinsamen Verbundprojekten war es ein konsequenter nächster Schritt, diese Kompetenzen im Berlin Battery Lab zu bündeln und das gemeinsame Profil weiter auszubauen. Ein besonderer Vorteil ist dabei die räumliche Nähe der Partner: Im Technologiepark Adlershof im Südosten Berlins verfügen alle drei Institutionen über Labore und Einrichtungen. Gleichzeitig bietet Adlershof mit jungen Unternehmen wie Theion, The Yellow SiC Group oder Wolfram Chemie ein dynamisches Umfeld, das den direkten Austausch zwischen Wissenschaft und Wirtschaft erleichtert. Die kurzen Wege schaffen gute Voraussetzungen für neue Netzwerke und Kooperationen und damit auch dafür, Forschungsergebnisse schneller in technologische Anwendungen zu überführen.

Sind bereits Ausgründungen aus dem BBL geplant oder denkbar, und was braucht es dafür?

Ja, ein Vorhaben zu Kathodenmaterialien für Na-Ionen-Batterien wird bereits durch das ProValid-Programm des Landes Berlin unterstützt. Weitere Ausgründungen aus dem BBL wären ein wirkungsvoller Weg, Forschungsergebnisse in die Praxis zu übertragen, und werden daher grundsätzlich angestrebt. Im Rahmen des BBL werden Materialkonzepte untersucht, die perspektivisch auch die Grundlage für Unternehmensgründungen bilden könnten. Gleichzeitig sind die Herausforderungen auf diesem Weg nicht zu unterschätzen: Neben innovativen Ideen und belastbaren Forschungsergebnissen sind ein starkes Netzwerk, geeignete Partner sowie ausreichende Investitionen entscheidende Erfolgsfaktoren.

Was hat Sie persönlich motiviert, an diesem Projekt mitzuwirken, und was erhoffen Sie sich vom BBL in fünf Jahren?

Mich motiviert besonders die Möglichkeit, mit meiner Forschung an nachhaltigen Batteriematerialien einen Beitrag zur Energiewende und zur technologischen Souveränität Deutschlands zu leisten. Für das Berlin Battery Lab wünsche ich mir, dass sich die Zusammenarbeit der beteiligten Partner langfristig erfolgreich etabliert und dass in fünf Jahren Batteriezellen mit Materialien aus Berlin ihren Weg in marktreife Produkte gefunden haben.