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Coperion GmbH

Marketing Communications

Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

Referat IIB5: Energieeffizienz: Kommunikation, Energieberatung, Produkte

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie



Bundesministerium für Wirtschaft und Energie Referat IIB5: Energieeffizienz: Kommunikation, Energieberatung, Produkte

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Entwicklung eines geeigneten Maschinenkonzepts zum Compoundieren von Feststoffkathodenformulierungen

Ziel und Inhalt des Verbundvorhabens ist die funktionsseitige und verfahrenstechnische Entwicklung einer Feststoff-Kathode für Hochenergie-Batteriezellen. Dies beinhaltet die Konditionierung (z. B. mehrstufige Vor-Agglomeration, Granulierung, Oberflächenbeschichtung etc.) der Kathodenkomponenten ebenso wie die strukturelle und elektrochemische Analyse der erzeugten Komposite, deren Daten in ein Strukturmodell einfließen. Das angestrebte Zelldesign und der Testaufbau sind ein hochvoltstabiler und zu hohen Lade-/Entladeraten fähiger Kathoden-Komposit in Kombination mit einer Lithium-Metallanode.

Das Projektvorhaben gliedert sich in drei Arbeitsschwerpunkte mit den folgenden Zielsetzungen: 

Modellbildung zu Elektrodenstruktur/-morphologie und Struktur-Eigenschaftbeziehungen: Ziel ist die modellhafte Erfassung und Optimierung der elektrischen und ionischen Leitpfade im Festelektrodenkomposit über einen doppelt-gyrogenen Struktur-Ansatz, der die Berechnung optimaler Volumenanteile und Strukturdimensionen für die Komponenten ermöglicht. Die weitere Verknüpfung der Strukturparameter mit den Materialparametern ermöglicht die Kompositeigenschaften und damit die Leistungsfähigkeit des Komposits abzubilden.

Kathoden-Kompositentwicklung (Labormaßstab): Inhalt des Arbeitspakets ist die Auswahl der Materialien, die Entwicklung der Kathodenrezeptur sowie die dafür erforderliche Prozessroute. Ziel ist es, ein Elektrodenkomposit durch Misch- und Dispergierverfahren ohne Lösemitteleinsatz darzustellen und die Partikelverteilung auf mikro- und nanoskaliger Ebene zu kontrollieren. Die Halbzellentests orientieren sich an den Anforderungen für automobile Applikationen.

Prozessentwicklung (Technikum BLB): Zielführende Kompositrezepturen werden auf kosteneffiziente und ressourcensparende Fertigungsaggregate übertragen. Zentrum der Aktivitäten wird das Technikum des BLB der TU-Braunschweig sein, das die benötigte Infrastruktur für Elektrodenherstellung und Testzellen bietet.

Quelle: https://www.enargus.de/pub/bscw.cgi/?op=enargus.eps2&s=14&id=4263468&q=feskabat&v=10 (jüngster Zugriff: 21.06.2017)

Feststoff-Kathoden für zukünftige Hochenergie-Batterien

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Robert Bosch GmbH

External Communications

Rezeptur und Verfahrensentwicklung zur Herstellung von Feststoff-Elektrodenkompositen und deren Charakterisierung

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Arbeitseinheit ESN5: Brennstoffzelle Wasserstoff Mobilität

Projektträger Jülich Arbeitseinheit ESN5: Brennstoffzelle Wasserstoff Mobilität

Projektträger Jülich

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[verbundprojekt]

[Verbundprojekt]

Heutiger Stand der Technik sind Lithium-Ionen-Zellen mit definiert porösen Elektroden und durchtränkt mit flüssigem Elektrolyt. Der Ionentransport erfolgt entsprechend durch Diffusion über den flüssigen Elektrolyten und die elektronische Leitung über das feste Gerüst aus Aktivmaterial und Kohlenstoff.
Ziel und Inhalt des Verbundvorhabens ist die funktionsseitige und verfahrenstechnische Entwicklung einer Feststoff-Kathode für Hochenergie-Batteriezellen. Dies beinhaltet die Konditionierung (z. B. mehrstufige Vor-Agglomeration, Granulierung, Oberflächenbeschichtung etc.) der Kathodenkomponenten ebenso wie die strukturelle und elektrochemische Analyse der erzeugten Komposite, deren Daten in ein Strukturmodell einfließen. Das angestrebte Zelldesign und der gleichzeitige Testaufbau ist ein hochvoltstabiler und zu hohen Lade- und Entladeraten fähiger Kathoden-Komposit in Kombination mit einer Lithium-Metallanode.

In der Batterietechnik werden hohe spezifische Anforderungen an die Anlagentechnik gestellt. Es müssen für die Verarbeitung des neu zu entwickelnden Kathoden-Materials hohe Temperaturen (bis ca. 150 °C) realisiert werden, bei gleichzeitiger Verhinderung der Anhaftung des Materials während des Prozesses. Dazu sind neue Oberflächenbeschichtungen zu erproben und die chemischen-mechanischen Grenzen zu analysieren. Ebenfalls müssen neben den Antihafteigenschaften höchste Rundlauf- und Oberflächeneigenschaften sowie eine präzise Walzenspalteinstellung realisiert werden, um die im Mikrometerbereich geforderten Toleranzen (+/-2 µm) der Materialbahn über die Dicke, Breite und Länge zu erfüllen.

Saueressig setzt sich zum Ziel, durch neue Verfahrens- und Anlagentechnik im Rahmen dieses Verbundprojektes sowie in naher Zukunft den hohen Anforderungen in der Batterietechnik gerecht zu werden. Durch neue, innovative Konzepte zur Walzenspalteinstellung, -regelung und -kontrolle soll ein stabiler und überwachter Kalandrier- und Laminierprozess entstehen. Ebenfalls sind neue Walzenoberflächen mit ihren verschiedenen mechanisch-chemischen Eigenschaften zu analysieren.

Saueressig befasst sich im Rahmen des Verbundvorhabens hauptsächlich mit der Entwicklung neuer Kalandrier- und Laminiertechnik. Dazu sind auf einem zuvor entwickelten Laborkalander Vorversuche zu absolvieren und notwendige Daten für die Auslegung einer Demonstrationsanlage zu ermitteln. Die notwendigen Vorversuche werden durch Saueressig an der TU Braunschweig begleitet und analysiert.
Im Anschluss der Datenermittlung können diese mit geeigneten Programmen bzw. Simulationen ausgewertet und verarbeitet werden. Da diese Daten auf einem Laborkalander ermittelt wurden, müssen die Daten entsprechend „hochskaliert“ werden. Im Anschluss dieser theoretischen Ausarbeitung werden Konstruktionsunterlagen erzeugt und in der Fertigung bei Saueressig eine geeignete Demonstrationsanlage hergestellt.

Nach Fertigstellung und Montage der Demonstrationsanlage wird diese an der TU Braunschweig aufgebaut und während der gesamten Projektlaufzeit weiter optimiert und dem Prozess angepasst.

Durch die Realisierung des Projektes, in dem neue Maschinen- und Fertigungstechniken für die Herstellung von Feststoff-Kathoden für Hochenergie-Batteriezellen untersucht und in einem Demonstrator-System für den spezifischen Anwendungsfall dargestellt wird, wird eine völlig neue Prozesskette für die Herstellung von Feststoff-Kathoden umgesetzt und demonstriert, die zu kürzeren Herstellzeiten und deutlich verringerten Kosten führt.
Nach erfolgreicher Durchführung des Projektes wird Saueressig diese Anlagentechnik am Markt präsentieren und fokussieren. Da dieser Herstellungsprozess neuartig ist, werden sich durch entsprechende Patente und erarbeitetes Know-how Alleinstellungsmerkmale aufzeigen, die Saueressig weltweit im Markt bekannt machen und zukünftig auch von Beginn an im Labormaßstab eine enge Kundenbindung ermöglichen.

Bei erfolgreicher Umsetzung der geplanten funktionsseitigen und verfahrenstechnischen Entwicklung einer Feststoff-Kathode für Hochenergie-Batteriezellen und der gemeinsamen Arbeiten des Verbundes resultieren aus dem Saueressig-Teilprojekt folgende Innovationen:
Neue Verfahrenstechniken, die auch auf andere Marktbereiche innerhalb von Saueressig übertragen werden können. Die Verarbeitung von pulverförmigen Materialien ist unter anderem auch in der Kunststoff- und Zellulose-Industrie ein Thema. Durch diese neue Verfahrenstechnik wird Saueressig seinen Marktanteil übergreifend stärken und ausweiten können. Saueressig erwartet in diesen Bereichen eine Zunahme an Entwicklungsfähigkeiten in den kommenden Jahren. Um dieser Zunahme zu entsprechen, ist geplant die interne Entwicklungsabteilung bzw. das Technikum auszubauen und mit geeigneter Anlagentechnik (auf Basis des Projektes FesKaBat) aufzurüsten und vorhandene Arbeitsplätze zu erhalten.

Ein auf realen Daten basierendes Maschinenkonzept zur Herstellung von Feststoff-Kathoden (Trockenfilmen) ermöglicht die Schaffung neuer Geschäftsbereiche im Labormaßstab.

Saueressig ist als Sondermaschinenhersteller für Produktionsanlagen noch nicht im Labormarkt vertreten bzw. etabliert. Nach Beendigung des Projektes kann Saueressig diesen Markt, speziell im Bereich der Batterietechnik, anvisieren und ggf. patentierte Laborlösungen vorweisen. Hierzu ist es geplant, zwei Stellen im Bereich Entwicklung und Vertrieb neu zu schaffen und zu besetzen.

Spezielle Spaltregelungen im Mikrometerbereich ermöglichen Saueressig einen Zugang zum asiatischen Markt. Aktuell wird im Batteriemarkt in Asien mit konventionellen Kalandern gearbeitet, die eine erhöhte Ausschussrate von bis zu 30 Prozent erzeugen. An diesem Punkt kann Saueressig zukünftig Lösungen anbieten, die diesen Ausschuss minimieren und möglicherweise eliminieren. Da in Asien die weltgrößten Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien produzieren, sehen wir hier einen enormen Absatzmarkt von Kalandertechnik mit mikrometergenauen Regelsystemen. Saueressig plant im Bereich der Regelsysteme mit einem wachsenden Marktanteil. Hierzu werden bereits im Projektverlauf entsprechende Stellen im Bereich Elektrotechnik geschaffen und marktabhängig besetzt.

Die im Projekt ermittelten technischen Daten sind skalierbar und zur Auslegung von Produktionsmaschinen geeignet. Somit können von Saueressig speziell im Markt der Batterietechnik Komplettlösungen angeboten werden, die einzigartig im Markt sind. Hierdurch wird ein Alleinstellungsmerkmal geschaffen, welches weltweit patentwürdig ist und Saueressig den Zugang zum asiatischen Markt ermöglicht. Weiterhin wird der europäische Markt gestärkt und erweitert. Bei erfolgreicher Projektdurchführung plant Saueressig im Bereich der Batterieproduktion eine Erweiterung der Vertriebsarbeiten. Hierzu werden entsprechende Vertriebsstellen geschaffen und neue Vertriebswege erarbeitet.

Matthews International GmbH

Kalandrieren und Laminieren von Feststoffkathoden

Herr  Kay Wolters

Die Ziele und Aufgaben des iPAT im Verbundvorhaben umfassen:
•  Verfahrensentwicklung zur Herstellung und Konditionierung von festkörperelektrolytbasierten Kompositen,
•  Prozessstudien zur Konditionierung der Teilkomponenten einer All-Solid-State-Batterieelektrode durch skalierbare mechanische Verfahrenstechnologien,
•  skalierbare Schutzschicht- sowie Applizierungsentwicklung für Aktivmaterialpartikel und Komposite,
•  Prozessstudien zur kontinuierlichen Herstellung trockener All-Solid-State-Kathoden
•  Entwicklung einer hochenergetischen All-Solid-State-Batteriezelle durch die Kombination der vorangegangenen Teilentwicklungen,
•  Tiefgehende physikalische und elektrochemische Analyse zur modellhaften Beschreibung einer All-Solid-State-Zelle.

Quelle: http://www.ipat.tu-bs.de/forschung/arbeitsgruppen/elektrochemische-speichertechnik/feskabatfeskabat (jüngster Zugriff: 21.06.2017)

Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig

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Technische Universität Braunschweig

Stabsstelle Presse und Kommunikation

Prozessstrategien zur Herstellung von Feststoff-Kathoden mit simulationsunterstützter Eigenschaftsoptimierung und Handhabung im Zellassemblierungsprozess für die Kombination mit Lithium-Metall als Anode

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Institut für Partikeltechnik

Technische Universität Braunschweig Institut für Partikeltechnik

Herr Prof. Dr. Arno Kwade

Prof. Dr.

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Battery LabFactory Braunschweig

Technische Universität Braunschweig Braunschweiger LabFactories for Batteries and more Battery LabFactory Braunschweig

Braunschweiger LabFactories for Batteries and more

Dieses Teilprojekt behandelt insbesondere
a) die Bereitstellung von spezifischen Messtechniken für ionische und elektronische Leitfähigkeiten
b) deren Einsatz für Screening und Auswahl der für Prozessierung und Zellleistung optimalen festen und polymeren Ionenleiter
c) Suche und Anpassung von Alternativmaterialien und
d) die lokale elektrochemische Analyse der Elektrodenverbundstrukturen.

Die drei Arbeitsschwerpunkte des Projektvorhabens sind:
AZ1: Modellbildung zu Elektrodenstruktur/-morphologie und Struktur-Eigenschaftsbeziehungen.
AZ2: Kathoden-Kompositentwicklung (Labormaßstab) mit den Hauptschwerpunkten Materialauswahl, Kathodenrezeptur und dafür erforderliche Prozessroute.
AZ3: Prozessentwicklung (Technikum BLB) kosteneffizienter und ressourcensparender Fertigungsaggregate für entwickelte Kompositrezepturen.

In der ersten Phase werden im Teilprojekt der Uni Münster die zentralen Messtechniken erprobt und bezogen auf die Anforderungen die geeignetsten Auswertemethoden definiert. In den ersten 18 Monaten werden die Erprobung, Beurteilung und endgültige Auswahl der für die Elektrolyt- und Kathodenherstellung am besten geeigneten festen und polymeren Ionenleiter anhand ihrer Stabilität und Transportdaten betrieben mit dem Ziel der Selektion der endgültigen Materialfestlegung. Durchgehende Arbeiten über die gesamte Laufzeit betreffen Grenzflächen, Funktionssicherheit und Performance der Kathodenstrukturen.

Quelle: https://enargus.de/pub/bscw.cgi/?op=enargus.eps2&q=Universit%C3%A4t%20M%C3%BCnster%20-%20Institut%20f%C3%BCr%20Anorganische%20und%20Analytische%20Chemie%20(IAAC)&v=10&s=7&id=411481 (jüngster Zugriff: 11.04.2025)

Westfälischen-Wilhelms-Universität Münster

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Universität Münster

Kommunikation und Öffentlichkeitsarbeit

Materialauswahl, Elektrochemie und Mikroanalytik

Arbeitsgruppe Wiemhöfer

Universität Münster Institut für Anorganische und Analytische Chemie Arbeitsgruppe Wiemhöfer

Laufzeit	01.11.2016 - 31.12.2019
Ausführende Stelle	Coperion
Standort	Stuttgart
Fördersumme	43.433,00 €
Projektvolumen	k. A.
Fördergeber	BMWE

Projekt

FesKaBat

Feststoff-Kathoden für zukünftige Hochenergie-Batterien

Projektbetreuung als

Coperion GmbH

Coperion GmbH

Förderung

Arbeitseinheit ESN5: Brennstoffzelle Wasserstoff Mobilität

Dieses Projekt ist Teil des Verbundprojekts

FesKaBat

Weitere Teilprojekte des Verbundvorhabens

Teilprojekt 1

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

Robert Bosch GmbH

Teilprojekt 2

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

Matthews International GmbH

Teilprojekt 4

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

Institut für Partikeltechnik

Teilprojekt 5

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

Arbeitsgruppe Wiemhöfer

Teilprojektleitung

Coperion GmbH

Teilprojektleiter*in

Pressekontakt

Verbundprojektkoordination

Robert Bosch GmbH

Verbundprojektkoordinator*in

Pressekontakt

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