BMBF-Projekt »SoLiS« erforscht innovatives Lithium-Schwefel-
Batteriekonzept
Das im Juli 2021 gestartete Forschungsprojekt »SoLiS – Entwicklung von
Lithium-Schwefel Feststoffbatterien in mehrlagigen Pouchzellen« zielt
darauf ab, ein vielversprechendes Batteriekonzept aus der
Grundlagenforschung in die industrielle Anwendung zu überführen. Dank
hoher Speicherkapazitäten und geringer Materialkosten des Schwefels
ermöglicht diese Zelltechnologie potenziell den Aufbau sehr leichter und
kostengünstiger Batterien. Unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für
Werkstoff- und Strahltechnik IWS aus Dresden fördert das Bundesministerium
für Bildung und Forschung (BMBF) fünf Partner aus Wissenschaft und
Wirtschaft mit einer Gesamtsumme von knapp 1,8 Millionen Euro. Die
Forschungsergebnisse könnten zum Beispiel Anwendungen in der elektrischen
Luftfahrt ermöglichen.

Festelektrolyte stehen aktuell im Fokus der Batterieforschung und gelten
als sicherere Alternative zu den konventionellen, leicht entzündlichen
Flüssigelektrolyten in Lithium-Batterien. In der sogenannten
Feststoffbatterie übernehmen diese entweder anorganischen oder organischen
Feststoffe den Transport von Lithium-Ionen zwischen der positiven und der
negativen Elektrode. In Kombination mit neuen Speichermaterialien sind sie
somit der Schlüssel zu sicheren Batteriezellen mit hoher Energiedichte.
Denn Flüssigelektrolyte führen in Lithium-Schwefel-Batterien zu
unerwünschten Nebenreaktionen, die bisher eine geringe Lebensdauer der
Zellen zu Folge haben. Daher stellt der Einsatz von Festelektrolyten einen
vielversprechenden Lösungsansatz dar. Bisherige Forschungsergebnisse sind
ermutigend: im Labormaßstab ließ sich die grundlegende Machbarkeit einer
Li-S-Feststoffbatterie bereits nachweisen. Jedoch existieren bisher zu
wenig Daten zu anwendungsrelevanten Prototypzellen, sodass es bisher noch
nicht möglich ist, die Technologie zu evaluieren.

Ziel: Anwendungsnaher Nachweis

Die SoLiS-Projektpartner setzen sich daher zum Ziel, Batteriezellen mit
mehreren Elektrodenlagen auf Basis der Li-S-Festkörpertechnologie zu
entwickeln und anwendungsnah zu bewerten. Neben den Verfahren zur
Verarbeitung und Herstellung soll auch die Nano- und Mikrostruktur der
Elektroden ganzheitlich untersucht und optimiert werden. Die
Herausforderung besteht darin, das Speichermaterial Schwefel mit
elektrisch leifähigem Kohlenstoff und den ionenleitenden Elektrolyten in
engen Kontakt zu bringen. Dabei besteht eine der Kernanforderungen in der
Fertigung erster Prototypzellen darin, die beteiligten Zellkomponenten in
ausreichender Qualität und Quantität herzustellen. Dafür setzt das Projekt
SoLiS auf ein interdisziplinäres Team mit Kompetenzen in der Entwicklung
innovativer Materialien und Prozesse sowie in der elektrochemischen und
strukturellen Charakterisierung:

- Das Fraunhofer IWS übernimmt die Projektkoordination und bringt Know-how
zu innovativen Verfahren zur Herstellung von Elektroden und Prototypzellen
in das Projekt ein
- Die Technische Universität Dresden arbeitet an den Kathoden-
Kompositmaterialien und einem geeigneten Elektrodendesign
- Wissenschaftler der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster
erforschen maßgeschneiderte Festelektrolyte und deren
Transporteigenschaften für den neuen Batterietyp
- Die Justus-Liebig-Universität Gießen bringt ihre Erfahrung und Kompetenz
zur Charakterisierung von Grenzflächenphänomenen in Feststoffbatterien ein
- Die Schunk Kohlenstofftechnik GmbH übernimmt die Herstellung von
Kohlenstoffadditiven bzw. industriell relevanten Kompositmaterialien

Die zunehmende Vernetzung von Systemen und der Einsatz von Künstlicher
Intelligenz (KI) zum Beispiel im Bereich Industrie 4.0, der intelligenten
Mobilität oder der Energieversorgung verändert auch das Berufsfeld für
Ingenieure und Techniker*innen stark. In dem vom Bundesministerium für
Bildung und Forschung geförderten Projekt „HAISEM-Lab“ sollen
Mitarbeiter*innen der Industrie im Bereich der Künstlichen Intelligenz
unterstützt werden.

Das KI-Labor HAISEM-Lab wird von zwei niedersächsischen Universitäten
durchgeführt, der Universität Hannover und Universität Hildesheim. „Wir
bieten spannende Kurse aus der Region für die Region an. Mit HAISEM-Lab
wollen wir insbesondere die Region im Bereich KI voranbringen“, sagt Prof.
Dr. Klaus Schmid.

Das KI-Labor biete insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen
die Möglichkeit, direkt mit KI-Technologien in Kontakt zu kommen und „auch
einfach mal etwas auszuprobieren, in Kursen neue Kompetenzen zu erwerben,
aber auch mit uns in den Austausch zu kommen und aktuelle Fragen zu
diskutieren“, so Dr. Holger Eichelberger.

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
geförderten Projekts sollen Entwickler*innen in die Lage versetzt werden,
effektive und effiziente KI-Anwendungen unter Verwendung von Software-
Engineering-Methoden und unter Nutzung moderner Hardware-Architekturen
erfolgreich zu realisieren.

„Mit dem HAISEM-Lab-Projekt sollen Mitarbeiter der Industrie mit aktuellen
KI-Techniken vertraut gemacht werden. Dabei spielt eine besondere Rolle,
dass in der modernen KI neue Arten von Hardware – von Grafik-Prozessoren
bis hin zu Spezialhardware – immer wichtiger werden. Das Projekt
fokussiert insbesondere Ansätze auf den Überlappungsbereich zwischen KI,
Software Engineering und Hardware. Dabei berücksichtigt das Team der zwei
Partner, der Universitäten Hannover und Hildesheim, nicht nur die heute
üblichen Grafik-Prozessoren, die oft zur Beschleunigung von KI-Methoden
eingesetzt werden, sondern auch neuere Ansätze wie Tensor-Prozessoren oder
'wieder-verdrahtbare' Prozessoren. So soll ein breiter Einblick in diese
aktuellen Technologien gegeben werden“, erläutert der Informatiker Klaus
Schmid.

Holger Eichelberger ergänzt: „Wir möchten das Wissen über die Künstliche
Intelligenz aber auch die Bereitschaft zur Beschäftigung mit KI in der
Industrie vergrößern, insbesondere aus dem Blickwinkel des Software
Engineering. Um dieses Wissen in die Unternehmen hineinzutragen, werden im
HAISEM-Lab-Projekt sowohl neue Ansätze als auch Grundlagen in Form ein-
bis zweitägiger Kurse für die Industrie aufbereitet und durchgeführt.
Dabei geht es sowohl um klassische Kurse zum Wissenserwerb, aber auch um
Kurse mit Praxisanteilen.“

Prof. Dr. Klaus Schmid und Dr. Holger Eichelberger forschen in der
Arbeitsgruppe Software Systems Engineering am Institut für Informatik der
Universität Hildesheim.

Weitere Informationen über das Projekt „HAISEM-Lab – KI-Labor zur
methodischen Entwicklung Hardware-optimierter KI-Anwendungen unter
Verwendung moderner Software-Engineering Methoden“:

https://sse.uni-hildesheim.de/forschung/projekte/haisem-lab/
und
https://www.uni-hildesheim.de/neuigkeiten/bmbf-projekt-haisem-lab-wissen-
ueber-kuenstliche-intelligenz/

Wissenschaftler wollen das Aufkommen des Käfers mit flugzeug- und satellitengestützter Fernerkundung in einem möglichst frühen Stadium erkennen.Teile der Fichtenwälder des Nationalparks Hunsrück-Hochwald hat der Borkenkäfer bereits in Kahlflächen und Geisterwälder verwandelt. Während im Kerngebiet des Nationalparks eine ungestörte Ausbreitung des Borkenkäfers toleriert wird, soll in den Randbereichen verhindert werden, dass er auf angrenzende Wälder übergreift und sie schädigt. Wissenschaftler der Universität Trier erforschen nun, ob sich das Aufkommen des Borkenkäfers (Buchdrucker) mithilfe satellitengestützter Fernerkundung erfassen lässt. Das Kooperationsprojekt der Universität Trier mit dem Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST) und dem Nationalparkamt ist Teil einer europaweiten Kampagne der Weltraumagenturen NASA und ESA.

„Der Buchdrucker befällt fast ausschließlich Fichten, die darauf unter anderem durch Veränderungen in den Nadeln reagieren. Diese Reaktion wollen wir nutzen und herausfinden, ob sich aus dem Reflexionssignal, das von Fichtennadeln aufgezeichnet werden kann, Informationen über das Stadium und über die Verbreitung des Borkenkäfers erfassen lassen“, erläutert Dr. Johannes Stoffels von der Universität Trier das Ziel der Grundlagenforschung.  

Mithilfe von Satellitensignalen aus dem Weltall zu erspähen, wo und wie sich der nur zwei bis drei Millimeter große Borkenkäfer in den Fichten des Hochwalds ausbreitet, stellt die Trierer Wissenschaftler vor eine anspruchsvolle Aufgabe. Entscheidende Dienste leistet hierbei ein von NASA und ESA zur Verfügung gestelltes und mit hochauflösenden Instrumenten ausgerüstetes Spezialflugzeug. Die in Zürich stationierte Maschine stand den Nationalpark-Forschern nur zwei Tage zur Verfügung. Die Flugmission und damit das gesamte Forschungsprojekt drohten mehrfach zu scheitern – erst an schlechtem Wetter und später an einem Flugverbot. Im letzten Versuch konnte das Flugzeug zumindest einen Streifen des ursprünglich vorgesehenen Gebiets des Nationalparks überfliegen.

„Die Datenqualität ist glücklicherweise hervorragend und ausreichend für unsere Forschung“, so Johannes Stoffels. Auf Basis der aus dem Spezialflieger übermittelten Daten nahmen die zeitgleich auf dem Boden operierenden Forscher und Nationalpark-Ranger Proben aus indizierten Bäumen in unterschiedlichen Befallsstadien. Die Proben werden nun in Laboren analysiert, parallel dazu bereitet die NASA die beim Flug erhobenen Daten auf. Voraussichtlich im Herbst wird das Forschungsteam um Dr. Martin Schlerf (LIST) mit der wissenschaftlichen Auswertung beginnen können.

Sollte es mit Mitteln der Fernerkundung gelingen, sowohl die Ausbreitung des Borkenkäfers als auch das jeweilige Stadium des Befalls großflächig zu erkennen, wäre dies für das Monitoring und die Kontrolle der Käferausbreitung ein großer Schritt vorwärts. Nicht nur in Deutschland, sondern europaweit ist der Borkenkäfer zu einem massiven Problemfall geworden. Eine entscheidende Voraussetzung für die Eindämmung der Borkenkäfer-Verbreitung ist, den Befall möglichst früh zu erkennen und betroffene Bäume aus dem Wald zu entnehmen. Die Fernerkundung könnte hierzu deutlich präzisere und umfassendere Analysen liefern, als dies mit der derzeitigen aufwendigen und lückenhaften Beobachtung vom Boden aus möglich ist.

Mit diesem Projekt setzen die Universität Trier, das Luxembourg Institute of Science and Technology und das Nationalparkamt Hunsrück-Hochwald ihre langjährige Kooperation und gemeinsamen wissenschaftlichen Arbeiten fort. Die Forschung im Nationalpark wird von Jan Rommelfanger und Hans-Joachim Brusius vom Nationalparkamt Hunsrück-Hochwald koordiniert und begleitet. Das Spezialflugzeug wurde im Rahmen der Copernicus Erweiterungsmission CHIME (Copernicus Hyperspectral Imaging Mission for the Environment) zur Verfügung gestellt.