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

Das Projekt hat die Entwicklung einer Lithium-Ionen-Zelle zum Ziel, die ein Hochvoltkathodenmaterial (z. B. LMNO) und Lithiumtitanoxid enthält. Zellen mit hoher Leistungsdichte bei gleichzeitig hoher intrinsischer Sicherheit werden nicht nur in Flurförderfahrzeugen und maritimen Anwendungen sondern auch in netzintegrierten Speichern stark an Bedeutung gewinnen. Die Wirtschaftlichkeit schneller Speicher stellt sich insbesondere über hohe Zykellebensdauern dar. Lithium-Ionen-Zellen mit LTO-Anoden werden diesen Anforderungen in hohem Maße gerecht, haben aber den Nachteil einer nur moderaten Energiedichte aufgrund der gegenüber Standard-Lithium-Ionen-Zellen reduzierten Zellspannung.

Im hier beantragten Projekt soll durch die Verwendung eines Hochvoltkathodenmaterials eine Verbesserung erreicht werden, ohne dass die Vorteile der Eigensicherheit sowie der Zyklenfestigkeit beeinträchtigt werden. Neben der Integration des Kathodenmateriales kommen für die Prozessierbarkeit und die Stabilität ein weiterentwickelter Separator und verbesserte Elektrolyte zum Einsatz. Die Verarbeitung dieser Materialien und die Prozessintegration sind im Teilprojekt umzusetzen und Testzellen in größerer Stückzahl bereitzustellen für die angestrebten Tests in zwei Einsatzfeldern. Hierfür müssen je nach Systemspezifikation größere Mengen großformatiger Zellen (ca. 1.000 Stück @ 20 Ah) hergestellt werden. Neben den Skalierungseffekten bei der Herstellung der Zellen werden auch wirtschaftliche Aspekte betrachtet. So müssen z. B. etwaige Additive zur Stabilisierung des Elektrolyten entsprechend wirtschaftlich sein und in den erforderlichen Mengen zur Verfügung stehen.

Es werden zwei Arbeitsziele in dem Teilprojekt verfolgt:

1. Entwicklung einer spezifischen Referenzzelle: In Zusammenarbeit mit dem Konsortium wird eine Lithium-Ionen-Zelle entwickelt, die aus der Kombination eines Hochvoltkathodenmaterials und einer LTO-Anode besteht. Für diese werden die verschiedenen Materialien der Zelle (Elektrolyte, Separator, …) auf ihre Stabilität überprüft. Außerdem sollen anwendungsspezifisch besonders hohe Leistungen (Lade- und Entladeraten) erreicht werden. Hierfür werden auch speziell behandelte Ableiter-Materialien in den Fokus der Untersuchungen gelangen. Die Liacon als Zellherstellung und Zellentwickler wird ihre Kompetenzen auf diesen Gebieten einbringen und vor allem den Aspekt der Wirtschaftlichkeit beachten. Darüber hinaus werden durch die Liacon entsprechende Tests durchgeführt die zur Festlegung der Referenzzellspezifikation dienen werden. Der entsprechend geeignete Elektrolyt wird sowohl unter den standardmäßig beziehbaren Elektrolyten als auch über entsprechende spezielle Additive gewählt werden.

2. Skalierung der Herstellungsprozesse: Nach der im ersten Teil des Projektes stattfindenden Festlegung der Zellparameter sollen diese auf einen Kleineserienmaßstab (mindestens 1.000 Zellen) skaliert werden. Basis ist die derzeit auf der Produktionslinie der Liacon realisierte Zellgeometrie. Hierbei werden in einem ersten Schritt Anoden- und Kathodenfolien in ausreichender Menge gefertigt werden, wobei die Parameter der Referenzelle eingehalten werden. Die anwendungsspezifischen Anforderungen (Arbeitsspannung, Arbeitsstrom, Temperaturbereich, Kapazität) müssen festgestellt werden, da diese einen großen Einfluss auf bestimmte Zellspezifikationen (Design, Kapazität, …) haben. Nach der Festlegung dieser Parameter werden entsprechende Zellen in ausreichender Menge hergestellt. Die Elektrolytbefüllung wird aufgrund der Andersartigkeit des zu verwendenden Elektrolyten nicht auf der Produktionsanlage stattfinden können, da dies mit einem erheblichen Reinigungsaufwand und hohen Anfangsverlusten verbunden sein wird. Daher muss eine spezielle Stickstoff-Box (Glove-Box) aufgebaut und genutzt werden, in der die Elektrolytbefüllung stattfinden kann. Liacon wird nach der Festlegung der Elektrolytrezeptur diesen in ausreichender Menge beschaffen. Dies kann entweder über eine bereits bestehende Formulierung, die erhältlich ist, geschehen oder über das Anmischen einer Formulierung mit einem speziellen Additiv bei Liacon oder einem geeignetem Drittanbieter. In diesem Fall wird Liacon eine ausreichende Menge des Additives in der entsprechenden Qualität zur Verfügung zukaufen. Die Zellen werden dann den Partnern zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt, die aus diesen Module und Systeme für die geplanten Anwendungen aufbauen.

Durch die Kenntnis der Anforderungen von speziellen mobilen Anwendungen und der Erwartungen der nächsten Jahre ist eine gezielte Forschung in diese Richtung möglich. Hier gilt es vor allem, die Thematik der Lade- und Entladerate sowie die Energiedichte noch einmal zu adressieren. Das Projekt soll auch einen Ausblick auf die kommenden Jahre ermöglichen, um die geforderten Parameter zu bestimmen, die dann in der Anschlussforschung und Entwicklung erreicht werden soll. Auch die Langlebigkeit der Zelltechnologie wird ein wichtiges Thema sein, welche bei der gewählten Technologie besonders von der Wahl des Elektrolyten abhängen wird.

Neben den bereits bestehenden industriellen Märken werden neue Sparten für die Verwendung der Zelltechnologie der Liacon erschlossen werden, was durch die Anpassung der Zelltechnologie an die speziellen Anforderungen ermöglicht wird. Ergebnisse des Projektes werden auf Tagungen (VDE-Fachkonferenzen, VDMA, KLiB, …) vorgestellt und im Rahmen von Veröffentlichungen in Fachzeitschriften publik gemacht.