Herr Stepien, könnten Sie sich einmal kurz vorstellen – wo arbeiten Sie, was forschen Sie?
Mein Name ist Dominik Stepien und ich arbeite als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Prof. Philipp Adelhelm an der Humboldt-Universität zu Berlin. Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Batteriematerialien, insbesondere für Natrium-Ionen-Batterien. Mein Schwerpunkt liegt auf dem Material für den positiven Pol der Batterie und ist damit ein zentraler Bestandteil einer Batterie. Wir untersuchen, wie sich diese Materialien leistungsfähiger und stabiler gestalten und zugleich für eine spätere industrielle Anwendung weiterentwickeln lassen.
Worum geht es in Ihrem Forschungsprojekt und welche Rolle spielt dabei ProValid?
Vereinfacht gesagt entwickeln wir ein neues Stromspeichermaterial für Natrium-Ionen-Batterien. Unser Ziel ist ein das Material für den positiven Pol der Batterie, möglichst viel Energie innerhalb eines begrenzten Bauraums speichern kann. Dabei spricht man von einer hohen volumetrischen Energiedichte. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig für kompakte Batterien, bei denen nur wenig Platz zur Verfügung steht. Natrium-Ionen-Batterien funktionieren grundsätzlich ähnlich wie Lithium-Ionen-Batterien, verwenden jedoch Natrium als Ladungsträger. Natrium ist weltweit gut verfügbar und könnte dazu beitragen, die Batterieproduktion unabhängiger von bestimmten kritischen Rohstoffen zu machen. Ein weiterer möglicher Vorteil ist die vergleichsweise gute Leistungsfähigkeit bei niedrigen Temperaturen.
Mit Unterstützung von ProValid untersuchen wir, ob sich die positiven Ergebnisse aus dem Labor auf größere Materialmengen und realistischere Zellformate übertragen lassen. Darüber hinaus möchten wir bewerten, ob das Material für eine spätere industrielle Nutzung geeignet ist und in welchen Anwendungen es gegenüber etablierten Batteriechemien einen konkreten Mehrwert bieten kann.
Für welche Problemstellung bietet das Forschungsprojekt eine Lösung?
Viele Natrium-Ionen-Batterien erreichen bislang eine geringere Energiedichte als etablierte Lithium-Ionen-Batterien. Für die Speicherung der gleichen Energiemenge werden daher häufig größere oder schwerere Batterien benötigt.
Genau an diesem Punkt setzt unser Forschungsprojekt an. Durch die Verbesserung der Energiedichte könnten Natrium-Ionen-Batterien auch für Anwendungen interessant werden, bei denen ein kompakter Aufbau entscheidend ist. Dazu gehören beispielsweise bestimmte mobile Anwendungen. Darüber hinaus kommen stationäre Energiespeicher und Einsatzgebiete unter kalten Umgebungsbedingungen infrage.
Wie verläuft der Validierungsprozess?
Zunächst haben wir das Material im kleinen Labormaßstab hergestellt und in sogenannten Knopfzellen untersucht. Diese ähneln äußerlich den kleinen Batterien, die man beispielsweise aus Uhren kennt oder im Supermarkt kaufen kann, werden im Labor jedoch speziell für Forschungszwecke aufgebaut. In diesen Versuchen konnten wir bereits eine hohe Kapazität und eine gute Energiedichte nachweisen.
Im nächsten Schritt übertragen wir die Herstellung auf größere Reaktoren. Dabei produzieren wir größere Chargen und prüfen, ob deren Qualität über mehrere Herstellungsdurchläufe hinweg konstant bleibt. Anschließend wird das Material zu Elektroden verarbeitet und in größeren, industrienäheren Batteriezellen getestet.
Zusätzlich sollen externe Partner die Ergebnisse unabhängig bewerten. Begleitend untersuchen wir die Skalierbarkeit des Herstellungsverfahrens, mögliche Produktionskosten, Schutzrechte und geeignete Verwertungswege.
Was waren oder sind die größten Herausforderungen im Projekt oder im Validierungsprozess?
Die größte Herausforderung besteht in der Übertragung eines gut funktionierenden Laborprozesses auf einen größeren Maßstab. Bei wenigen Gramm Material lassen sich viele Bedingungen vergleichsweise einfach kontrollieren. Bei mehreren hundert Gramm oder Kilogramm verändern sich jedoch beispielsweise die Temperaturverteilung, die Durchmischung und die Reaktionsbedingungen im Allgemeinen. Auch die anschließende Aufarbeitung muss an die größeren Mengen angepasst werden.
Bei Batteriematerialien greifen zudem zahlreiche Einflussfaktoren ineinander. Bereits kleine Abweichungen während der Herstellung können sich später deutlich auf die elektrochemische Leistung auswirken. Deshalb müssen wir nicht nur gute Einzelwerte erzielen, sondern einen robusten Prozess entwickeln, der zuverlässig wiederholbare Ergebnisse liefert und perspektivisch wirtschaftlich umgesetzt werden kann. Das erfordert systematische Versuchsreihen, sorgfältige Auswertungen und Geduld.
Wie wurden Sie auf die Förderung ProValid aufmerksam?
Auf ProValid bin ich durch das Transfer- und Gründungsumfeld der Humboldt-Innovation sowie durch Gespräche mit Personen aufmerksam geworden, die wissenschaftliche Ausgründungen und Validierungsvorhaben unterstützen.
Das Programm war für uns besonders interessant, weil es die Lücke zwischen einem vielversprechenden Forschungsergebnis und einer möglichen praktischen Verwertung adressiert. Während bei klassischen Forschungsprojekten vor allem der wissenschaftliche Erkenntnisgewinn im Mittelpunkt steht, ermöglicht ProValid die gezielte Bearbeitung anwendungsbezogener Fragestellungen.
Würden Sie die Beantragung von ProValid empfehlen?
Ja, insbesondere für Projekte, bei denen bereits überzeugende Forschungsergebnisse vorliegen und erste Anforderungen einer späteren industriellen Nutzung bekannt sind. Gleichzeitig sollte noch ein klarer Validierungsbedarf bestehen, der sich mit konkreten Arbeitsschritten bearbeiten lässt.
ProValid regt dazu an, das eigene Vorhaben aus einer stärker anwendungsorientierten Perspektive zu betrachten. Neben der wissenschaftlichen Qualität beschäftigt man sich unter anderem mit der Verfügbarkeit und den Kosten der benötigten Rohstoffe, den Anforderungen potenzieller Zellhersteller, dem Marktumfeld und den weiteren Entwicklungsschritten.
Dadurch lässt sich das Projektprofil schärfen und besser beurteilen, welche technischen und wirtschaftlichen Risiken vor einer möglichen Verwertung noch reduziert werden müssen.
Was ist Ihre Vision/Ihr Wunsch für weitere Projekte?
Meine Vision ist, auf Grundlage der Validierung einen belastbaren Entwicklungsweg für das Material zu schaffen. Langfristig soll daraus eine technisch überzeugende und wirtschaftlich umsetzbare Lösung entstehen, die gemeinsam mit geeigneten Akteuren weiterentwickelt werden kann.
Perspektivisch ist auch eine Ausgründung aus der Universität denkbar. Damit könnten die notwendigen Entwicklungsarbeiten gebündelt und das Material schrittweise in Richtung Marktreife geführt werden.
Mein persönlicher Wunsch ist, mit unserer Forschung einen Beitrag zu einer nachhaltigeren und breiter aufgestellten europäischen Batteriewertschöpfung zu leisten. Zunächst gilt es jedoch herauszufinden, für welche konkreten Anwendungen das Material den größten Mehrwert bietet.
Vielen Dank für die spannenden Einblick! Auf dem Bild seht ihr die am ProValid-Projekt beteiligten Mitglieder der Arbeitsgruppe von Prof. Philipp Adelhelm. Von links nach rechts: Philipp Adelhelm, Dominik Stepien, Arina Trush, Hamy Nguyen und Zhekang Wen.
