Voll­au­to­ma­ti­sches Labor im Bereich Batterieforschung

Tau­sen­de Grenz­flä­chen ana­ly­sie­ren, rund um die Uhr Bat­te­rien bau­en, 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 Insti­tut 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.“
— The­re­sia Bau­er, Minis­te­rin für Wissenschaft

Welt­weit ers­te voll­in­te­grier­te Platt­form zur beschleu­nig­ten For­schung zur elek­tro­che­mi­schen Energiespeicherung

Hel­ge Stein, Ten­u­re-Track-Pro­fes­sor und 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.