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Junge Forschung

Das Material für perfekte Akkus

Katja Fröhlich vor der Beschichtungsanlage des AIT, in der die Elektrodenbänder zur Produktion von Lithium-Ionen-Akkus hergestellt werden.
Katja Fröhlich vor der Beschichtungsanlage des AIT, in der die Elektrodenbänder zur Produktion von Lithium-Ionen-Akkus hergestellt werden.Clemens Fabry
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Die Zukunft der Elektromobilität ist eng verwoben mit den Fortschritten in der Energiespeicherung. An dieser tüftelt die Batterieforscherin Katja Fröhlich am AIT.

Die Kollegen halten pandemiebedingt gerade Abstand, doch Katja Fröhlich ist überzeugt, dass sie hinter ihren Mund-Nasen-Schutzmasken lächeln, wenn sie einander begegnen. „Die Beschränkungen intensivieren jeden Kontakt“, findet die 32-Jährige. „Und da wir unseren Laborbetrieb nun mit weniger gleichzeitig anwesenden Mitarbeitern aufrechterhalten, sorgt die ausgeklügelte Planung unserer Tätigkeiten sogar für eine Extraportion Effizienz.“ Fröhlich trägt Verantwortung für ein Labor am Center for Low-Emission Transport am Austrian Institute for Technology (AIT) in Wien, wo sie an Akku- bzw. Batteriematerialien für elektrisch betriebene Fahrzeuge forscht. Das Herzstück dieser Transportmittel sind zahlreiche aus Batteriezellen bestehende Module, deren Leistungsstärke für die breite Durchsetzung der Elektromobilität entscheidend sein wird.

Dichte Energie auf allen Ebenen

„Die Hauptanforderungen sind längere Haltbarkeit, schnelleres Laden und größere Reichweite“, verdeutlicht sie. „Und nicht zuletzt müssen die Batterien umweltverträglich, sicher und kostengünstig sein.“ Gängig sind Lithium-Ionen-Systeme in ständig neuen Generationen. Auch Fröhlich befasst sich mit deren Weiterentwicklung, zurzeit etwa mit dem Erhalt der Energiedichte im Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Zellen. Diese bestimmt, wie lang ein Elektroauto ohne aufzuladen fahren kann. Die Herausforderung: „Auf dem Weg vom Metallpulver, dem Aktivmaterial der Batterie bis zum Modul nimmt die Energiedichte stetig ab.“ Hier gebe es auf Material- wie auch auf Prozessebene viele Verbesserungsmöglichkeiten.

Besonders stolz ist Fröhlich auf die im Vorjahr eröffnete Forschungspilotanlage des AIT, für die sie mitverantwortlich ist. „Im Echtbetrieb können sich die Kennzahlen der im Labormaßstab getesteten Produkte stark ändern“, erklärt sie. „Aber hier sind wir in der Lage, in industrierelevanter Umgebung Kleinserien von Lithium-Ionen-Akkus zu fertigen.“ Dabei können die AIT-Forscher in jeden Prozessschritt eingreifen, um ihn zu bewerten und zu verbessern. So entwickeln sie eine nachhaltigere und leistungsfähigere Herstellungskette. „Außerdem können wir hier neue Materialien auf ihre kommerzielle Anwendung testen.“

In einem weiteren Projekt beschäftigt sich Fröhlich mit dem Einsatz von mehr Nickel in Kathoden. Dadurch könnte man den Anteil des seltenen Metalls Kobalt reduzieren, das unter schwierigen und oft fragwürdigen Bedingungen abgebaut wird. „Das nickelreiche Material neigt allerdings zu Instabilitäten und die Hochstromeigenschaften sind auch hier schlecht.“ Letzteres bewirke die heute noch zu langen Ladezeiten. Dem versucht ihr Team durch entsprechende Strukturierung der Elektroden entgegenzuwirken. Und eine Beschichtung des Metallpulvers soll die Materialstabilität verbessern.

Fröhlich ist schon seit 2013 Teil des „Batterieteams“ des AIT. Hier begann sie nach dem Diplomstudium in chemischer Verfahrenstechnik an der Technischen Universität (TU) Graz als Karenzvertretung und wurde bald fest angestellt. Sie absolvierte ein Doktoratsprogramm von AIT und TU Wien und dissertierte 2018 zu Kathodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien.

Die Leidenschaft für die Batterieforschung hat sie aber weit früher gepackt: Während ihres Bachelorstudiums in biotechnischen Verfahren am Campus Tulln der FH Wiener Neustadt verschlug sie ein Praktikum ins Brennstoffzellenlabor der TU Graz. „Da haben wir zu aufladbaren Zink-Luft-Batterien geforscht.“ Diese zufällige erste Begegnung mit dem Thema habe in ihr eine Faszination angefacht, die bis heute ungebrochen anhalte. „Ich finde es unglaublich spannend, wie in einer Batterie durch den äußeren Elektronenfluss plötzlich Reaktionen messbar werden.“ Diese zu interpretieren und Rückschlüsse auf die Vorgänge im Inneren der Batterie zu ziehen, ist nun Teil ihres Berufs.

Privat schätzt die gebürtige Niederösterreicherin die schnelle Fortbewegung. Am liebsten auf dem Rücken ihres Pferds in ihrem Lieblingsbundesland Burgenland, wo ihre Eltern leben, oder auf dem Motorrad.

Zur Person

Katja Fröhlich (32) studierte am Campus Tulln der FH Wiener Neustadt und an der TU Graz. Seit 2013 forscht sie am Austrian Institute of Technology (AIT) an Materialien für wiederaufladbare Batteriesysteme im Elektromobilitätsbereich, seit 2017 trägt sie dort die Verantwortung für das Batteriemateriallabor. 2018 promovierte sie an der TU Wien in technischer Chemie.