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Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Referat 523: Werkstoffinnovationen, Batterie; Hereon, KIT

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Referat T15: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für­ Forschung, Technologie und Raumfahrt Referat T15: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für­ Forschung, Technologie und Raumfahrt

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Um die Reichweite von Elektrofahrzeugen oder die Laufzeit von mobilen Multimedia-Anwendungen deutlich zu erhöhen, muss zwangsläufig die Energiedichte der Batterien gesteigert werden. Silicium als Material für die negative Elektrode der Batteriezelle übersteigt in seiner volumenbezogenen Speicherfähigkeit die des aktuell eingesetzten industriellen Standards Graphit um fast das Dreifache und ist daher für den Einsatz in Lithium-Ionen-Hochenergiezellen prädestiniert. Jedoch ist die Einführung von Silicium in kommerziellen Batteriesystemen trotz intensiver universitärer und industrieller Forschung bislang nicht gelungen. Die wesentliche Herausforderung beim Einsatz von Silicium als Anodenmaterial resultiert aus dessen starker Volumenänderung während der Ein- und Auslagerung von Lithium-Ionen (Lade-/Entladevorgang).
Hier setzt das Vorhaben PRODUKT an. Im Rahmen des Projektes soll ein Hochenergiespeicher mit Schichtoxiden als Kathoden- und neuartigen Silicium-basierten Anodenmaterialien entwickelt werden. Durch die Verwendung von dreidimensional strukturierten Ableitern in Kombination mit einem neuen Herstellungskonzept soll dabei insbesondere den materialspezifischen Herausforderungen des Siliciums Rechnung getragen werden.

Ziel dieser Strukturen ist es, zum einen die mechanische Stabilität im Elektrodenverbund zu erhöhen. Im Rahmen des Projektes soll zum anderen ein neuer Lösungsansatz zur Reduktion der irreversiblen Verluste auf der Anode verfolgt werden. Wesentliche Aufgaben werden in der Entwicklung der Elektrodenstrukturen sowie deren Charakterisierung und Optimierung liegen. Konzeptzellen zum Nachweis der Machbarkeit sollen angefertigt und auf Funktion, Lebensdauer und Sicherheit untersucht wurden.

Die Entwicklung einer Zelle mit alternativer Anode auf Basis von Nano-Silicium und dreidimensionalem Ableiter beinhaltet damit folgende Projekt-Teil-Arbeitspakete:
•  Optimierung der Trägerstrukturen, Anpassung auf Anforderungen,
•  Optimierung der Materialeigenschaften der Silicium-basierten Aktivmaterialien: Erhöhung von spezifischer Kapazität, Minimierung von irreversiblen Kapazitätsverlusten, Erhöhung der Langzeitstabilität,
•  Auswahl kommerziell zugänglicher, optimaler Zellkomponenten (z. B. Separator/Elektrolyt),
•  Adaptierung der Materialeigenschaften auf prozesstechnologische Anforderungen,
•  Entwicklung poröser strukturierter Elektroden und Optimierung der Elektrodeneigenschaften in Bezug auf Lebensdauer und Belastbarkeit,
•  Entwicklung eines Konzepts zur Prälithiierung der Anode,
•  Aufklärung auftretender Alterungsmechanismen in Kombination mit verschiedenen Elektrolyten,
•  Untersuchung des Sicherheitsverhaltens im Normalbetrieb und bei Überladung,
•  Entwicklung von Konzeptzellen und Bau eines Demonstrators.

Das Konzept zeichnet sich durch eine hohe Nutzungsbreite für die Industrie aus. Es kann im Erfolgsfall sowohl ein Lösungskonzept für den Einsatz von Silicium in Hochenergiezellen bereitstellen, als auch einen generellen Lösungsansatz im Bereich der „Next-Generation- und der Post-Lithium-Ionen-Systeme bieten.

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Prozess- und Zellentwicklung auf Basis durchlässiger klassischer Trägerstrukturen für Elektroden

Herr Dr. Ihor Chumak

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VARTA Microbattery GmbH

Herr Dr. Nicolas Bucher

Demonstratorzelle mit 3D-strukturierten Silicium-Elektroden

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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]

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Bayerische Motoren Werke AG

Pressclub Deutschland

Herr Dr. Holger Hain

Die Entwicklung kostenoptimierter elektrochemischer Energiespeicher mit hohen Energiedichten und Lebensdauern bilden die zentrale Voraussetzung für die Durchsetzung elektrischer Mobilitätskonzepte in künftigen Verkehrsstrukturen. Die Entwicklung der Elektromobilität hängt dabei wesentlich von der Akzeptanz der Nutzer ab, deren Kerninteressen insbesondere hinsichtlich Reichweite (= hohe Energiedichte) und Kosten (= Effizienz) in heutigen Elektrofahrzeugen zum Teil noch nicht realisiert sind.
Um die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen, muss die Energiedichte der Speicher gesteigert werden, was den Einsatz neuer Speichermaterialien erfordert. Silicium als Anodenmaterial übersteigt in seiner theoretischen Speicherfähigkeit die des Graphits gravimetrisch um fast das Zehnfache und ist daher für den Einsatz in Lithium-Ionen-Hochenergiezellen prädestiniert. Jedoch ist der Einsatz von Silicium in kommerziellen Systemen trotz intensiver universitärer und industrieller Forschung aufgrund der großen Volumenänderung des Siliciums im Zuge der Lade-/Entladevorgänge bislang nicht gelungen.

Im Rahmen des Projekts PRODUKT entwickelt die Wacker Chemie AG Silicium-haltige Anodenaktivmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien. Die Arbeiten haben zum Ziel, die bei Silicium-Aktivmaterialien durch Materialinstabilität und SEI-Effekte auftretenden Kapazitätsverluste mittels Oberflächenmodifizierungen zu reduzieren. Durch Aufbringen geeigneter Beschichtungen sollen irreversible initiale und kontinuierliche Kapazitätsverluste verringert werden.

Die Arbeiten der Wacker Chemie AG im Verbundprojekt PRODUKT konzentrieren sich auf die Entwicklung modifizierter Aktivmaterialien, die Auswahl geeigneter Bindersysteme, die Entwicklung von Elektrodenpasten und elektrochemische Tests an den entwickelten Materialien und Elektroden. Daneben werden Beiträge zur Festlegung der Material-Zieleigenschaften, zur Elektrolytauswahl und zum Design des Elektrodenkonzeptes erbracht.
Im Arbeitsschwerpunkt „Si-Materialien und Materialkomponenten“ soll durch Aufbringen einer flexiblen, im Elektrolyten nicht quellbaren Beschichtung oder durch Auswahl geeigneter Partikelstrukturen die Si/Elektrolyt-Kontaktfläche minimiert und dadurch der irreversible initiale Kapazitätsverlust verringert werden. Kontinuierliche Verluste sollen durch ein flexibles, im Elektrolyten quellbares Polymer-(Gel-)Topcoat reduziert werden (SEI-Flexibilisierung).

Weiterhin sollen die Silicium-Aktivmaterialien für die Einbringung in die im Projekt verwendeten dreidimensionalen Ableiterstrukturen adaptiert und entsprechende Verarbeitungsmethoden entwickelt werden. Entwicklungsmaterialien aus dem Projekt werden den Projektpartnern zur Verfügung gestellt.

Zur parallelen Beurteilung anderer Entwicklungswege sollen zudem ggf. weitere Materialien (Aktivmaterialien, Binder, Elektrolyte) bereitgestellt werden, die außerhalb des Projektes PRODUKT entwickelt werden.

Für die Arbeiten wird Wacker Silicium-haltige Materialien aus industriell verfügbaren Vorstufen zur Verfügung stellen.

Silicium-Anoden versprechen eine deutliche Steigerung der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien. Gerade für vollelektrische Fahrzeuge könnte dies eine entsprechende Erhöhung der Reichweite mit sich bringen.
Im Rahmen des geplanten Projektes soll gezeigt werden, ob Silicium-Partikel für die Integration in eine dreidimensionale Ableiterstruktur so modifiziert werden können, dass sich die bekannten Probleme bei Verwendung von Silicium-Anodenmaterialien prinzipiell lösen lassen. Es wird erwartet, dass die potenzielle Konzept-Umsetzbarkeit gezeigt werden kann, womit die Voraussetzungen für eine technische Weiterentwicklung und Marktetablierung erfüllt sind.

Die im Rahmen des Projektes erzielbaren Ergebnisse könnten in idealer Weise mit den umfangreichen Erfahrungen der Wacker Chemie AG in Synthese, Charakterisierung und Modifizierung von Silicium in der Herstellung von Aktivmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien der 3. Generation umgesetzt werden.

Im geplanten Verbund ergänzen sich die Kompetenzen der Partner Bender, BMW, Varta, Wacker und ZSW hervorragend. Wacker bringt quasi „aus einer Hand“ eine abgestimmte Materiallösung für die Batterieanode in das Forschungsvorhaben ein.

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Wacker Chemie AG

Unternehmenskommunikation

Silicium-Aktivmaterialien für poröse Elektrodenableiter

Herr Dr. Jürgen Pfeiffer

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Bender GmbH Maschinenbau und Streckmetallfabrik

Entwicklung und Produktion von 3D-strukturierten Trägerstrukturen für Lithium-Ionen-Batterien auf Streckgitterbasis

Duration	01/01/2016 - 30/09/2019
Executing unit	ZSW
City	Stuttgart
Amount of funding	998.589,00 €
Total budget	no information
Sponsor	BMFTR

Project

PRODUKT

Prozess- und Zellentwicklung auf Basis durchlässiger klassischer Trägerstrukturen für Elektroden

Project management as

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

Funding

This project is part of the joint project

PRODUKT

Other sub-projects of the joint project

Sub-project 1

Duration:

Funding code:

VARTA Microbattery GmbH

Sub-project 2

Duration:

Funding code:

Bayerische Motoren Werke AG

Sub-project 3

Duration:

Funding code:

Wacker Chemie AG

Sub-project 4

Duration:

Funding code:

Bender GmbH Maschinenbau und Streckmetallfabrik

This project is part of the funding initiative

Sub-project lead

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

Sub-project manager

Press contact

Joint-project management

VARTA Microbattery GmbH

Joint-project coordinator

Press contact

Links

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