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HiT-Cell-Schematik: anvisierte Arbeitsbereiche

Westfälischen-Wilhelms-Universität Münster

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Universität Münster

Kommunikation und Öffentlichkeitsarbeit

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Referat 523: Werkstoffinnovationen, Batterie; Hereon, KIT

Referat 525: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt Referat 525: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt

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Aktuell verfügbare Batteriezellen erfordern bei Anwendungen mit hohen spezifischen Leistungen und Bauraumvorgaben eine sehr aufwändige Peripherie für das thermische Management. Ziel des Vorhabens HiT-Cell ist dementsprechend die Entwicklung einer Batteriezelle, die mit deutlich weniger Aufwand in Hochleistungsanwendungen integriert werden kann.
Das Ergebnis ist eine Batteriezelle der nächsten Generation, die bei deutlich höheren Temperaturen betrieben werden kann und deren Integration ins Gesamtsystem weniger Peripheriekomponenten und -komplexität erfordert. Dafür werden die inaktiven Komponenten Elektrolyt und Separator, sowie das Zelldesign der Batteriezelle auf thermische Stabilität optimiert, ohne die operative Leistung bei niedrigeren Temperaturen negativ zu beeinflussen.

Das Ziel soll eine neue Batteriezelle sein, die bei Temperaturen bis 100 °C betrieben werden kann und deren Integration ins Gesamtsystem weniger Peripheriekomponenten und -komplexität erfordert. Auf diese Weise sollen neue Anwendungsfelder erschlossen werden, bei denen eine starke Kühlung aus technischen oder ökonomischen Gründen bislang nicht möglich war. Die zentrale Frage dieses Projektes ist daher, wie eine Batteriezelle unter Beachtung der Sicherheit, Lebensdauer und Kosten so gestaltet werden kann, dass keine komplizierte Kühlung benötigt wird. Dabei steht die Stabilität der Lithium-Ionen-Batterie (LIB) bei erhöhten Temperaturen und die technische sowie wirtschaftliche Umsetzbarkeit im Fokus des Projektes.

In diesem Forschungsvorhaben sind mehrere Arbeitsziele definiert.
Die thermisch anfälligste Zellkomponente, der Elektrolyt, soll durch das MEET schrittweise optimiert und für Hochtemperaturanwendungen ausgelegt werden. Dabei soll sowohl der Einfluss von Elektrolytadditiven als auch die Variation verschiedener Lösemittel und Leitsalze (z. B. LiTFSI) auf die Temperaturstabilität untersucht werden.

Auch Variationen der Elektrodenmaterialien (Graphit und Lithium-Titanat auf Anodenseite und z. B. NCA, NMC und LFP auf Kathodenseite) und Geometrieparameter auf Seiten der Aktivmasse und Oberflächenbeschaffenheit werden durch EAS und MEET untersucht, um verschiedene Temperaturziele zu erreichen.

Für Batteriezellen, die für hohe Temperaturbereiche freigegeben werden sollen, ergeben sich auch neue Anforderungen an den Separator. Zum einen ist es wichtig, die Verlustleistung, die durch den Betrieb im Separator erzeugt wird, möglichst gering zu halten. Zum anderen muss der Separator auch bei hohen Temperaturen dauerhaft stabil sein und darf nicht schrumpfen. Durch Treofan soll ein besonders verlustarmer und thermisch stabiler Separator im Rahmen des Projekts entwickelt werden.

Die Bewertung der einzelnen Zellkonzepte findet dann zunächst auf Laborzell-Level im Zellsystem-Zusammenspiel statt. Am ISEA werden dafür einlagige Labor-Pouchzellen aufgebaut und auf ihr Verhalten bei hohen Temperaturen untersucht. Auch kommerziell verfügbare Systeme werden verglichen. Im Anschluss an die Belastungstests werden die Laborzellen geöffnet und die Komponenten im Post-mortem-Labor untersucht.

Auch die Integration hin zum Endprodukt Zelle wird im Rahmen des Forschungsprojekts durch EAS und PEM durchgeführt. EAS wird gewickelte zylindrische Zellen fertigen, während das PEM mit den gleichen Materialien Pouchzellen fertigen wird. Durch das PEM und das ISEA wird letztlich auch der Einfluss der Geometrie (gewickelte Zylinderzelle vs. gestapelte Pouchzelle) auf das Produkt untersucht. Gerade für die thermische Ankopplung an aktive und passive Kühlperipherie und die Stromratenfähigkeit ist die Geometrie von entscheidender Bedeutung. Die so entwickelten Lösungen sollen durch ISEA und PEM ebenfalls ökonomisch mit aktuell verfügbaren Kühlkonzepten und Batterietechnologien verglichen werden.

Die zunehmende Dekarbonisierung des Energiesystems erfordert mehr und mehr den Einsatz von elektrischer Energie und Energiespeichern. Diese gesellschaftlichen Vorgaben bedeuten allerdings auch, dass die Weiterentwicklung der Batterietechnologie in Deutschland wichtig ist, um den internationalen Anschluss und somit den wirtschaftlichen und technischen Einfluss nicht zu verlieren. Für den steigenden Einsatz von Strom als Endenergie und die damit verbundene Verwendung von Batterien sowohl in stationären als auch mobilen Anwendungen sind Lithium-Ionen-Energiespeicher aktuell und wohl auch mittelfristig die beste verfügbare Speichertechnologie. Insbesondere der Ausbau der Fertigungskapazitäten für die Elektromobilität hat gerade in den vergangenen beiden Jahren zu einer erheblichen Preisreduktion geführt, durch welche die LIB für immer mehr Anwendungen auch außerhalb von Elektrofahrzeugen hochattraktiv werden. Die Elektrifizierung des Antriebsstranges (z. B. Hybride, Schnellladung) und die zunehmende Substitution von kabelgebundenen durch batteriebetriebene Lösungen (z. B. Powertools, Staubsauger, Kettensäge, Laubbläser) erfordern eine stetige Weiterentwicklung der Energiespeichertechnologie, um verbesserte Produkte anbieten und somit wettbewerbsfähig bleiben zu können. 
Das Projekt trägt zur Entwicklung einer leistungsfähigen und sicheren Batterie bei, die durch die Integration einer temperaturstabilen Zelle auf ein aufwändiges und teures Kühlsystem verzichtet. Ein Durchbruch in dieser Technologie wird viele neue Anwendungsbereiche für Batterien erschließen und hat das Potenzial, auf Systemlevel die Kosten durch Einsparung von Peripherie und Komplexität zu senken. Dadurch können deutsche Hersteller elektrifizierter Nutzfahrzeuge wettbewerbsfähige Elektroautos auf dem Markt anbieten. Darüber hinaus wird durch das Vorhaben das Ziel einer nationalen Zellfertigung in Deutschland gestärkt.

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REM-Oberflächenaufnahm: biaxial orientierte Separatorfolie

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Auslauf Produktionsanlage: biaxial orientierte Separatorfolie

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Entwicklung einer temperaturstabilen Lithium-Ionen-Zelle

Herr  Michael Deutmeyer

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EAS Batteries GmbH

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Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich

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[verbundprojekt]

[Verbundprojekt]

Ziel ist es, für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batteriezellen (LIBZ) einen besonders verlustarmen, thermisch stabilen und sicheren Separator auf der Basis von biaxial verstrecktem Polypropylen zu entwickeln.
Polyolefine sind heute schon aufgrund ihrer ausgezeichneten Eigenschaften, wie Verarbeitbarkeit, Preis und chemischer Beständigkeit, ein gängiges Ausgangsmaterial für Separatoren für die Anwendung in LIB. Limitierend bei der Anwendung in großformatigen LIBZ und bei erhöhten Temperaturen wirken sich aber mangelnde Temperaturbeständigkeit und thermischer Schrumpf aus, insbesondere bei den am häufigsten verwendeten Polyethylen-Separatoren.

Basierend auf Treofans Know-how der Herstellung von biaxial orientierten Polypropylenseparatoren für LIB soll ein neuer Separator entwickelt werden, der über bessere Temperaturbeständigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Polyolefinseparatoren verfügt. Über den Prozess der Co-Extrusion soll der Separator zusätzlich verbessert werden.

Die heute zur Erhöhung der Zellsicherheit üblichen keramischen Beschichtungen von Separatoren tragen zwar zur Sicherheit der Zellen bei, können das Kollabieren der Separatoren infolge thermischer Belastung aber nicht verhindern. Zudem führen diese Coatings zu einem zusätzlichen Widerstand in der Zelle, was dann beim Laden und Entladen zu einer zusätzlichen Erwärmung der Zelle und zu einer Verringerung der Lebenszeit der Zelle beiträgt.

Porosität und Porenstruktur haben entscheidenden Einfluss auf Performance und Lebensdauer der Zellen. Von Treofan wird durch Auswahl spezieller Polyolefine und optimierter Prozessführung ein Separator entwickelt, der auch bei hohen Temperaturen nur sehr geringe Erweichung und Schrumpf zeigt und in Folge dessen auch im vorgegebenen Temperaturbereich nicht kollabiert.

Die Technologie der biaxialen Orientierung (biaxiales Strecken) von Polypropylen-Folien kombiniert mit der Technologie der Co-Extrusion ermöglicht es, keramische Füllstoffe in einzelnen Schichten einzubringen, um den zusätzlichen Schritt des keramischen Coatings zu ersetzen. Weiterhin können in einzelnen Schichten auch Substanzen eingebaut werden, die Elektrodengifte (z. B. HF) neutralisieren oder absorbieren und so das Leben der elektrochemischen Zellen entscheidend verlängern.

Hybrid-Rezepturen: Ziel ist die Entwicklung neuer organisch-anorganischer Komposite als Rohstoff für die Coextrusion thermisch stabiler Schichten im Separator. Die anorganischen Partikel sind so zu wählen, dass die Porengröße des Separators nicht nachteilig beeinflusst wird. Hierzu müssen nanoskalige Partikel ausgesucht werden und in die Polymermatrix eincompoundiert werden. Eine besondere Herausforderung stellt hier das agglomeratfreie Eincompoundieren der Partikel in die Polymermatrix dar. Agglomerate führen zu unerwünschten Fehlstellen im Separator und zu mangelnder Verarbeitbarkeit in der Produktion.
Zusatz von Scavengern für Zellgifte: Ziel ist das Einarbeiten von Substanzen, die schädliche Zellgifte neutralisieren oder absorbieren, die als Abbauprodukte des Elektrolyts und der Elektroden während des Batterielebens anfallen. Hierzu muss man zum einen die Zellchemie, zum anderen auch die daraus resultierenden Abbauprodukte kennen. Die Zusätze sind so zu wählen und einzuarbeiten, dass sie keine negativen Einflüsse auf Porenstruktur und Verarbeitbarkeit haben.

Coextrusion mit Hybridschichten (Polymer-anorganische Partikel als Scavenger für Abbaukomponenten, thermische Stabilität und homogene Verteilung): Die neu entwickelten Compounds müssen zunächst auf der Pilotanlage zu Separatoren für Basisuntersuchungen verarbeitet werden. Hierbei werden die verschiedenen Rezepturen auf Laufsicherheit und die geforderten Eigenschaften überprüft. Die meistversprechenden Rezepturen werden dann in Produktionstests auf Prozessfähigkeit geprüft und die Produktionsparameter optimiert, um die geforderten qualitativen Ansprüche zu erfüllen.

Produktion eines Prototypen des neuen Separators – coextrudierte Folien mit funktionellen Schichten: Nach allen Optimierungsversuchen und positiven externen Testergebnissen der Projektpartner ist eine erste Prototypenproduktion geplant.

Das Ziel, in dem Projektvorhaben Separatoren mit verbesserter Temperaturstabilität zu entwickeln, geht einher mit dem Kenntnisgewinn zu neuen Produktionsprozessen für verstreckte Separatorfolien und dem Erarbeiten von wissenschaftlichen Erkenntnissen. Das Verstehen der Abbaumechanismen von Zellkomponenten in der Batterie und dem Einfluss der Separatoreigenschaften auf diese Mechanismen ist wesentlich für zukünftige Verbesserungen und Weiterentwicklungen neuer Separatortypen.
Zellen mit verbesserter Temperaturbeständigkeit werden in fast allen Anwendungsbereichen, auch über die Elektromobilität hinaus, gefordert, sodass diesbezüglich verbesserte Produkte wichtig für das Erschließen und die Positionierung in alternativen Märkten sind, wie etwa auch der stationären Energiespeicherung.

Die temperaturbedingte Degradation von Batteriekomponenten – u. a. Separatoren – spielt auch eine wichtige Rolle bei einigen Alterungsmechanismen in LIB unter Normaltemperatur. So wird der Alterungsprozess in Batterien durch Zyklisieren der Batterien bei erhöhter Temperator (~ 60 °C) durchgeführt, um durch die beschleunigte Degradation die Lebensdauer der Batterien zu simulieren.
Die Projektergebnisse spielen so langfristig und nachhaltig in der Anwendung und Weiterentwicklung von LIB für alle Anwendungsbereiche eine Rolle, sodass eine Verwertung auch außerhalb des Projektkonsortiums in Blick auf die zukünftige Markt- und Technologieentwicklung der LIB sichergestellt wird.

Die Anschlussfähigkeit wird zusätzlich durch eine kontinuierliche Identifikation von Weiterentwicklungen der Konkurrenz sichergestellt, welche die Erfolgsaussichten in der Entwicklung neuer marktfähiger Produkte zusätzlich verbessert.

Standort Neunkirchen

Treofan Germany GmbH & Co. KG

Treofan Germany GmbH & Co. KG Standort Neunkirchen

Separatoren mit verbesserter Temperaturstabilität

Herr Dr. Bertram Schmitz

Aktuell verfügbare Batteriezellen erfordern bei Anwendungen mit hohen spezifischen Leistungen und Bauraumvorgaben eine sehr aufwändige Peripherie für das thermische Management. Ziel des Vorhabens HiT-Cell ist dem entsprechend die Entwicklung einer Batteriezelle, die mit deutlich weniger Aufwand in Hochleistungsanwendungen integriert werden kann. Das Ergebnis ist eine Batteriezelle der nächsten Generation, die bei deutlich höheren Temperaturen betrieben werden kann und deren Integration ins Gesamtsystem weniger Peripheriekomponenten und -komplexität erfordert.
Dafür werden die inaktiven Komponenten Elektrolyt und Separator sowie das Zelldesign der Batteriezelle auf ihre thermische Stabilität optimiert, ohne die operative Leistung bei niedrigeren Temperaturen negativ zu beeinflussen. Das Ziel soll eine neue Batteriezelle sein, die bei Temperaturen bis 100 °C betrieben werden kann und deren Integration ins Gesamtsystem weniger Peripheriekomponenten und -komplexität erfordert.

Auf diese Weise sollen neue Anwendungsfelder erschlossen werden, bei denen eine starke Kühlung aus technischen oder ökonomischen Gründen bislang nicht möglich war. Die zentrale Frage dieses Projektes ist daher, wie eine Batteriezelle unter Beachtung der Sicherheit, Lebensdauer und Kosten so gestaltet werden kann, dass keine komplizierte Kühlung benötigt wird. Dabei steht die Stabilität der Lithium-Ionen Batterie (LIB) bei erhöhten Temperaturen und die technische sowie wirtschaftliche Umsetzbarkeit im Fokus des Projektes.

In diesem Forschungsvorhaben sind mehrere Arbeitsziele an der RWTH definiert: Die Bewertung der einzelnen Zellkonzepte, welche von den anderen Projektpartnern erforscht und erarbeitet werden, findet zunächst auf Laborzell-Level im Zellsystem-Zusammenspiel statt. Am ISEA werden dafür einlagige Laborpouchzellen aufgebaut und auf ihr Verhalten bei hohen Temperaturen untersucht. Auch kommerziell verfügbare Systeme werden verglichen. Im Anschluss an die Belastungstests werden die Laborzellen geöffnet und die Komponenten im Post-mortem-Labor untersucht.
Auch die Integration hin zum Endprodukt Zelle wird im Rahmen des Forschungsprojekts durch das PEM durchgeführt (in Zusammenarbeit mit EAS). EAS wird gewickelte zylindrische Zellen fertigen, während das PEM mit den gleichen Materialien Pouchzellen fertigen wird. Durch das PEM und das ISEA wird letztlich auch der Einfluss der Geometrie (gewickelte Zylinderzelle vs. gestapelte Pouchzelle) auf das Produkt untersucht. Gerade für die thermische Ankopplung an aktive und passive Kühlperipherie und die Stromratenfähigkeit ist die Geometrie von entscheidender Bedeutung. Die so entwickelten Lösungen sollen durch ISEA und PEM ebenfalls ökonomisch mit aktuell verfügbaren Kühlkonzepten und Batterietechnologien verglichen werden.

Die zunehmende Dekarbonisierung des Energiesystems erfordert mehr und mehr den Einsatz von elektrischer Energie und Energiespeichern. Diese gesellschaftlichen Vorgaben bedeuten allerdings auch, dass die Weiterentwicklung der Batterietechnologie in Deutschland wichtig ist, um den internationalen Anschluss und somit den wirtschaftlichen und technischen Einfluss nicht zu verlieren. Für den steigenden Einsatz von Strom als Endenergie und die damit verbundene Verwendung von Batterien sowohl in stationären als auch mobilen Anwendungen sind Lithium-Ionen-Energiespeicher aktuell und wohl auch mittelfristig die beste verfügbare Speichertechnologie.
Insbesondere der Ausbau der Fertigungskapazitäten für die Elektromobilität hat gerade in den vergangenen beiden Jahren zu einer erheblichen Preisreduktion geführt, durch welche die LIB für immer mehr Anwendungen auch außerhalb von Elektrofahrzeugen hochattraktiv werden. Die Elektrifizierung des Antriebsstranges (z. B. Hybride, Schnellladung) und die zunehmende Substitution von kabelgebundenen durch batteriebetriebene Lösungen (z. B. Powertools, Staubsauger, Kettensäge, Laubbläser) erfordern eine stetige Weiterentwicklung der Energiespeichertechnologie, um verbesserte Produkte anbieten und somit wettbewerbsfähig bleiben zu können.

Das Projekt trägt zur Entwicklung einer leistungsfähigen und sicheren Batterie bei, die durch die Integration einer temperaturstabilen Zelle auf ein aufwändiges und teures Kühlsystem verzichtet. Ein Durchbruch in dieser Technologie wird viele neue Anwendungsbereiche für Batterien erschließen und hat das Potenzial, auf Systemlevel die Kosten durch Einsparung von Peripherie und Komplexität zu senken. Dadurch können deutsche Hersteller elektrifizierter Nutzfahrzeuge wettbewerbsfähige Elektroautos auf dem Markt anbieten. Darüber hinaus wird durch das Vorhaben das Ziel einer nationalen Zellfertigung in Deutschland gestärkt.

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Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

Presse und Kommunikation

Anforderungen an die temperaturstabile Zelle, Pouchzellfertigung und Analyse

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Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe

Laufzeit	01.01.2018 - 30.06.2021
Ausführende Stelle	Uni Münster • MEET
Standort	Münster
Fördersumme	282.258,00 €
Projektvolumen	282.258,00 €
Fördergeber	BMFTR

Projekt

HiT-Cell

Entwicklung einer temperaturstabilen Lithium-Ionen-Zelle

Projektbetreuung als

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology

Universität Münster

Förderung

Dieses Projekt ist Teil des Verbundprojekts

HiT-Cell

Weitere Teilprojekte des Verbundvorhabens

Teilprojekt 1

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

EAS Batteries GmbH

Teilprojekt 2

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

Standort Neunkirchen

Teilprojekt 3

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe

Dieses Projekt ist Teil der Förderinitiative

Batterie 2020 (Transfer)

Teilprojektleitung

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology

Teilprojektleiter*in

Pressekontakt

Verbundprojektkoordination

EAS Batteries GmbH

Verbundprojektkoordinator*in

Links

Abschlussberichte und sonstige Veröffentlichungen in der TIB –Leibniz-Informationszentrum Technik und Naturwissenschaften und Universitätsbibliothek