Schnellladefähige Lithium-Energiespeicher mit verbesserter Energiedichte für den Einsatz in modularen Unterstützungs- und Antriebskonzepten

Die derzeitige Lithium-Ionen-Batterietechnologie basiert größtenteils auf der Verwendung von Kohlenstoff-basierten negativen Elektroden gekoppelt mit Übergangsmetalloxiden als positive Elektrode. Diese Konfiguration empfehlt sich unter anderem, da hiermit eine hohe Energiedichte erreicht werden kann. Dies ist auf die relativ hohe Kapazität von graphitischem Kohlenstoff von 372 mAh pro Gramm und den niedrigen Arbeitspotential von nur wenigen Millivolt über dem von metallischem Lithium zurückzuführen.

Gleichzeitig birgt diese geringe Potentialdifferenz grundsätzliche Sicherheitsbedenken. Bei hohen Stromdichten, wie Sie beim Schnellladeprozess auftreten können, kann es zu sogenanntem „Lithium-plating“, einer Abscheidung von metallischem Lithium auf der Elektrodenoberfläche kommen, welches die Sicherheit sowie die Lebensdauer der Batterie stark vermindert. Bei tiefen Temperaturen verschärft sich die Ladeproblematik bei diesen Systemen weiter.

Auch bei hybriden Fahrzeugkonzepten können hochleistungsfähige Speicher durch gezielten Einsatz Booster-Funktionen sowohl im Beschleunigungs- als auch im Rekuperationsmodus übernehmen und auf diesem Wege zu einer erheblichen Senkung des Verbrauchs im Alltagsbetrieb führen. Das zentrale Ziel des HiPoLiT-Projektes ist die Erarbeitung, der Aufbau und die Erprobung von Demonstratoren für praxisgerechte, energiedichteoptimierte Lithiumbatterien auf Lithiumtitanoxid-(LTO-)Basis. Im Vorhaben werden zur Erreichung einer erhöhten Energiedichte eines LTO-basierten Systems durch Einführung von Hochvolt-(HV-)Kathodenmaterialien Forschungsarbeiten an Kathode und Anode, dem Elektrolyten und dem Separator mit Hauptfokus auf Performance (Schnellladefähigkeit), Stabilität (Kompatibilität), Sicherheit und Wirtschaftlichkeit des Systems durchgeführt. Die Spannungslage der HV-Kathode mit bis zu 5 V macht besondere Forschungsanstrengungen für den Elektrolyten und den Separator notwendig.

MEET verfügt über ein erhebliches Fachwissen über Elektrolyte und nutzbare Leistungsadditive für die Lithium-Ionen-Technologie. Dieses kann dazu genutzt werden, effektiv, optimierte Lösungsansätze für die gestellte Aufgabe innerhalb des Verbundprojektes zu erarbeiten. Der im Projekt vorgeschlagene Lösungsansatz zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von bekannten Elektrolytformulierungen auf HV-Kathodenmaterial, durch Zugabe von Additiven ist vorteilhaft, da die Kompatibilität dieser Formulierungen auf Anoden-Seite, wie Graphit oder LTO, intrinsisch gegeben ist. Hierbei werden literaturbekannte sowie neuartige Leistungsadditive evaluiert und auf ihre elektrochemischen Eigenschaften und somit den Einsatz in der realen Zelle getestet. Weiterhin wird im Anschluss der Wirkungsmechanismus der identifizierten Additive durch Anwendung von fortgeschrittenen elektrochemischen und analytischen Messmethoden identifiziert.

Im Entwicklungsbereich besteht bereits seit längerem Interesse an der Umsetzung der LTO/LNMO Elektrodenkombination. Allerdings müssen bei der Optimierung von einer oder mehreren Komponenten und weiteren Parametern gegenseitige Abhängigkeiten genau im Auge behalten werden. So hat beispielsweise allein die Einführung eines Elektrodenmaterials mit veränderter Spannungslage (konkret HV-Kathode) im Betriebsfall negative Auswirkungen auf die Stabilität des Gesamtsystems. Elektrolyte, Binder und Separator müssen deshalb „hochspannungsfest“ gemacht werden, die Bildung nützlicher funktionaler Oberflächenschichten muss weiterhin gewährleistet sein.

Insbesondere neuartige Elektrolyte und Separatoren werden erstmalig in diesen elektrochemischen Batterien entwickelt und erprobt, um die bisherigen Probleme zu überwinden. Da zum derzeitigen Zeitpunkt kein vergleichbares kommerziell erhältliches Batteriesystem mit den im Antrag beschriebenen Spezifikationen existiert, ist die Formulierung geeigneter Elektrolyte Neuland. Durch die geringe Variation des Gesamtsystems Elektrolyt und durch definierte Zugabe kleiner Mengen an verschiedenen Leistungsadditiven können durch gezielte Messungen genaue Aussagen über das Wirkungsprinzip im Vergleich zum Referenzsystem gemacht werden. Diese Informationen können wiederum für die Darstellung von Elektrolytformulierungen der zweiten und daran anschließende Generationen genutzt werden.

Im HiPoLiT-Projekt soll exemplarisch nachgewiesen werden, dass durch die Kombination einer optimalen Verzahnung der entlang der Wertschöpfungssegment „Zelle“ angesiedelten Partner und der engen Abstimmung mit dem Konfektionär und Endanwender wettbewerbsfähige Speicherlösungen mit hoher Anpassbarkeit entstehen können, welche in vielen Anwendungsgebieten international konkurrenzfähig sind.