Professor Jürgen Janek, eine führende Persönlichkeit der Festkörperelektrochemie an der Justus-Liebig-Universität Gießen, diskutiert die Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft der Energiespeicherung jenseits von Lithium. Seine Arbeit, die vom renommierten Exzellenzcluster Post-Lithium Storage (POLiS) unterstützt wird, steht an der Spitze der Entwicklung von Batterietechnologien der nächsten Generation.
Von der Geschichte zur hohen Leitfähigkeit: Der Weg zu Festkörperbatterien
Janeks Reise ins Feld war fast zufällig. Zunächst dachte er an die Geschichte und entschied sich schließlich für die Chemie, da grundlegende Wissenslücken bestanden. Er schreibt den frühen Mentoren einen starken Hintergrund in Physik und Materialwissenschaften sowie die Zusammenarbeit mit Alan B. Lidiard zu, die seine Sicht auf den Ionentransport in Festkörpern geprägt haben – ein Thema, das in den Standardlehrplänen der Chemie historisch unterrepräsentiert war. Diese Erkenntnis, dass die Festkörperelektrochemie eine Brücke zwischen Physik, Chemie und Ingenieurwesen schlägt, trieb ihn in ein Gebiet, von dem er glaubte, dass es für zukünftige Energietechnologien von entscheidender Bedeutung sein würde.
Der Durchbruch, der die Festkörperforschung beschleunigte
Ein entscheidender Wendepunkt war der Bericht von Ryuichi Kanno aus dem Jahr 2011 über die hohe Lithiumionenleitfähigkeit in der Sulfidverbindung Li10GeP2S12 (LGPS). Diese Entdeckung – eine Leitfähigkeit, die die von flüssigen Elektrolyten übertrifft – führte zu raschen Fortschritten bei Konzepten für Festkörperbatterien. Janek weist darauf hin, dass dieser Durchbruch einen intensiven weltweiten Wettbewerb um neuartige Festelektrolyte auslöste, ein Wettlauf, der bis heute andauert. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass mit natriumbasierten Festelektrolyten sogar noch höhere Leitfähigkeitsniveaus erreichbar sind, was möglicherweise nachhaltigere Hochleistungsbatterien ermöglicht.
POLiS: Finanzierung der Zukunft der Energiespeicherung
Ein wesentlicher Treiber dieser Forschung ist der Cluster POLiS, der gemeinsam von der Universität Ulm, dem Karlsruher Institut für Technologie und der Justus-Liebig-Universität Gießen betrieben wird. Mit einer erneuten siebenjährigen Förderperiode ab 2026 besteht das Ziel des Programms darin, Energiespeicheroptionen über Lithium hinaus zu erforschen, darunter Natrium, Kalium, Magnesium, Kalzium, Aluminium und sogar anionenbasierte Systeme. Während Lithiumbatterien weiterhin relevant bleiben, zielt POLiS darauf ab, die Speichertechnologien zu diversifizieren, um die Abhängigkeit von einem einzelnen Element zu verringern und die Widerstandsfähigkeit gegenüber geopolitischen Störungen zu erhöhen.
Aktuelle Erfolge: Abbildung von Metallanoden und hochleitfähigen Magnesiumelektrolyten
Janeks Gruppe trägt durch eingehende Studien zu Festkörperkonzepten, Grenzflächenreaktionen und Ladungstransport erheblich zu POLiS bei. Jüngste Arbeiten unter der Leitung der Doktoranden Till Ortmann und Till Fuchs haben die mikroskopische Abbildung von Natrium- und Lithium-Metallanoden mithilfe der Elektronenrückstreubeugung weiterentwickelt und neue Wege für das Anodendesign eröffnet. Die Forschung von Clarissa Glaser hat ebenfalls vielversprechende Ergebnisse erbracht und Magnesiumionen-Festelektrolyte mit einer Leitfähigkeit von 0,1 mS/cm synthetisiert – ein Schritt in Richtung funktionsfähiger Magnesiumionenbatterien.
Die entscheidende Rolle des Recyclings
Das Programm erkennt an, dass Nachhaltigkeit nicht verhandelbar ist. Janek betont, dass Recycling von Anfang an in die Gestaltung neuer Materialien und Zellkonzepte integriert werden muss, um eine Kreislaufwirtschaft für diese Technologien sicherzustellen.
Jenseits von Lithium: Vorhersage der nächsten Batterietechnologie im Gigawatt-Maßstab
Obwohl die Vorhersage der Zukunft ungewiss ist, geht Janek davon aus, dass Natrium-Ionen-Batterien nach Blei, Lithium und Natrium die nächste weit verbreitete Technologie werden werden. Ob andere Chemikalien „jenseits von Lithium“ – wie Kalium, Magnesium oder Aluminium – Gigawatt-Größen erreichen werden, hängt von ihrer Leistung und Wirtschaftlichkeit ab. POLiS erforscht diese Optionen aktiv und hofft, dass daraus eine praktische Lösung im großen Maßstab wird.
Verbesserung der wissenschaftlichen Kommunikation
Janek glaubt, dass sich die wissenschaftliche Kommunikation mit der Zeit weiterentwickeln muss. Er plädiert für Open-Access-Veröffentlichungen mit strenger Qualitätskontrolle und fordert eine aktivere Diskussion veröffentlichter Forschungsergebnisse und schlägt sogar die Möglichkeit vor, Arbeiten nach der Veröffentlichung zu ändern oder zu verbessern – ein Konzept, das die dynamische Natur der modernen Wissenschaft widerspiegelt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Arbeit von Professor Janek und die laufende Forschung von POLiS eine entscheidende Anstrengung zur Diversifizierung und Verbesserung der Energiespeichertechnologien darstellen. Durch die Konzentration auf Materialien jenseits von Lithium und die Priorisierung der Nachhaltigkeit hat diese Forschung das Potenzial, die Zukunft der Stromerzeugung und des Stromverbrauchs neu zu gestalten.
