Neue Ansätze in der Batterieforschung

Egal ob in Smartphones, Autos oder Zahnbürsten: Batterien sind ein fester Bestandteil unserer Welt. Doch die Energiespeicher haben nur eine begrenzte Haltbarkeit und Speicherkapazität. Nachwuchsforscherin Filiz-Pinar Seren berichtet in clicKIT zum Auftakt der Reihe „women@KIT“, über ihre Forschung an neuen Technologien zur Verbesserung der Energiedichte und Haltbarkeit von Lithium- und Natrium-Batterien.

„Die Verwendung von metallischen Anoden könnte die Energiedichte von Batterien deutlich erhöhen“, sagt Filiz über ihr hochaktuelles Promotionsthema: Batterien leistungsstärker und sicherer zu machen. Dazu forscht die 24-Jährige am Institut für Angewandte Materialien des KIT zu Lithium- und Natrium-Metall-Batterien, die künftig bei gleichem Volumen mehr Energie speichern können sollen – ein wichtiger Faktor für die Reichweite von Elektroautos oder die Laufzeit von mobilen Geräten.

Kristalle, die Akkus zerstören

Die metallischen Anoden, an denen Filiz forscht, bergen das Potenzial, die Leistungsfähigkeit von elektrochemischen Energiespeichern erheblich zu steigern. Allerdings stehen bei deren Kommerzialisierung derzeit noch erhebliche Sicherheitsbedenken im Weg. „Ein zentrales Problem ist die Dendritenbildung, die zu Kurzschlüssen führen kann“, so Filiz. Diese Kristallstrukturen erinnern an die Äste von Bäumen und können Akkus zerstören. Zudem verlieren Metallbatterien durch häufiges De- und Entladen ihre Speicherkapazität. Auslöser sind instabile Grenzflächen – dort treffen die feste Elektrode und der flüssige Elektrolyt aufeinander – und die Auflösung der Metalle.

Filiz hat sich zum Ziel gesetzt, die elektrochemische Auflösung von Lithium und Natrium zu untersuchen. „Ich möchte die Einflussfaktoren auf die Wachstumsmechanismen der Metalle identifizieren und deren Effekte aufklären“, sagt die studierte Materialwissenschaftlerin. „Die bisherigen Erklärungen in der Literatur sind oft widersprüchlich oder unvollständig. Daher will ich diese Mechanismen grundlegend verstehen.“

Experimente im Labor und interdisziplinärer Austausch

Die Arbeit im Labor spielt dabei eine zentrale Rolle. Filiz entwickelt dort spezielle Batteriezellen, um die gewünschten Prozesse gezielt beobachten zu können. Gleichzeitig ist sie auf den Austausch mit anderen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern angewiesen. „Batterieforschung ist ein interdisziplinäres Feld“, erklärt sie. „Der Dialog mit Kolleginnen und Kollegen sowie der Besuch von Konferenzen sind essenziell, um neue Ideen zu entwickeln und bestehende Ansätze zu hinterfragen.“

Neben der Bewältigung experimenteller Herausforderungen betont sie auch die Bedeutung von Resilienz und Motivation: „Es braucht viel Durchhaltevermögen, um sich durch die Vielzahl an Experimenten und Literatur zu arbeiten. Doch genau dieser Prozess ist entscheidend, um Fortschritte zu erzielen.“ Die Forschung an Lithium- und Natrium-Metall-Batterien könnte langfristig dazu beitragen, sicherere und effizientere Energiespeicher zu entwickeln. „Wenn wir die Wachstumsmechanismen der Dendriten besser verstehen und kontrollieren können, sind Batterien mit höherer Energiedichte in greifbarer Nähe“, so Filiz. Damit wäre ein wichtiger Schritt zur besseren Speicherung und Nutzung von erneuerbaren Energien getan.

Maximilian Ferber, 6.2.2025