Benchmarking und Evaluation der Leistungsfähigkeit und Kosten von Hochenergie- und Hochvolt-Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu Post-Lithium-Ionen Technologien

Ziel des FZJ-Teilprojektes ist die theoretische und experimentelle Analyse und Beurteilung zukünftiger Elektrolyte in Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien (HE-LIB) gegenüber realisierungsfähigen Post-Lithium-Ionen-Batterien (PLIB) (Li/Luft-, Li/S-, Na-Systeme, Feststoffbatterien) auf Material-, Prozess- und Zellebene. Theoretische Kalkulationen bewerten dabei spezifische (Wh/kg) und volumetrische (Wh/L) Energieinhalte, Leistung, Lebensdauer und Kosten der Zellen bei Variation verschiedener Material-, Prozess-, Fertigungsparameter. Experimentelle Untersuchungen werden mit besonderem Fokus auf die Energieoptimierung von LIB durchgeführt und flüssige sowie polymere Elektrolyte evaluiert, indem die Kompatibilität mit Elektrodenmaterialien untersucht wird. Natrium-Ionen-Leiter und Festkörperelektrolyte werden auf ihre Eignung insbesondere für stationäre Anwendungen validiert.

Ziel ist es, eine realistische Einschätzung zukünftiger Batteriesysteme als Ergebnis der theoretischen Evaluierung und der Validierung von innovativen Elektrolytmaterialien zu erhalten.

• Untersuchung von Natrium-Ionen-Batterien als mögliche Alternative zu LIB

• Bewertung der Leitfähigkeit, Verarbeitung und (thermo)mechanischen Eigenschaften von Natrium-Ionen-Leitern

• Bewertung von Na/Sauerstoff und Na/S-Systeme

• Herstellung von Natrium-Ionen-Leitern und elektrochemische Tests mit verschiedenen Elektroden

• Untersuchung der Kompatibilität von flüssigen Hochvolt-Elektrolytsystemen

• Untersuchung flüssiger Elektrolyte zur Anwendung in Li/S- und Li/Sauerstoff-Systemen

• Herstellung und Untersuchung von Polymer- und Gelpolymersystemen und deren Kompatibilität mit den Elektrodenmaterialien

• Anpassung der in LIB validierten flüssigen, Polymer-basierten oder Gelpolymer-basierten Elektrolytformulierungen an PLIB-Systeme

• Validierung von oxidischen Festelektrolyten in LIB-Systemen hinsichtlich Elektrodenwechselwirkung und Grenzflächenstabilität

• Untersuchung der chemischen Stabilität der keramischen Ionenleiter gegenüber Lithiummetall und Luft (Wasser und Kohlendioxid)

Im Rahmen von BenchBatt wird das Leistungsvermögen von wirtschaftlichen HE-LIB durch die Verwendung innovativer Anoden- und Kathodenmaterialien sowie neuer Elektrolytwerkstoffe validiert und evaluiert. Mit einheitlichen Beurteilungskriterien und standardisierten elektrochemischen Untersuchungen sollen möglichst vergleichbare Einschätzungen hinsichtlich erreichbarer Energiedichte und Wirtschaftlichkeit von Post-Lithium-Ionen-Technologien (Li/S, Li/Luft, Na-Systeme, Feststoffbatterien) erarbeitet werden.

Die technischen und wirtschaftlichen Bewertungen sollen klare Handlungsoptionen für potenziell industrialisierbare Batteriesysteme liefern.