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

Gegenstand des gesamten Forschungsvorhabens ist eine kritische Gegenüberstellung und Validierung existierender und zukünftiger Lithium-basierter Batterietechnologien, so genannten Lithium- und Post-Lithium-Ionen-Batterien, auf experimenteller und kalkulatorischer Basis.

Da zurzeit eine Vielzahl an unterschiedlichen, kommerziell und technologisch erfolgsversprechenden Technologieansätzen (u. a. Lithium-Ionen Batterien, Lithium-Schwefel-Batterien, Lithium-Luft-Batterien, Natrium-basierte Batterien, Feststoffbatterien) konkurriert und dadurch eine recht hohe Unsicherheit in Bezug auf die jeweils an realen Systemen praktisch erreichbaren Energie- und Leistungsdichten vorherrscht, soll das Projekt BenchBatt in erster Linie die Aufklärung und Objektivierung dieser adressieren und zu einer Entscheidungsfindung bzgl. unterstützungswürdiger Technologien leisten.

Die Arbeitsgruppe Janek der JLU untersucht im Rahmen des Teilprojektes in einer vergleichenden Betrachtung insbesondere verschiedene Konzepte zu Li/Luft-, Na/Luft- und Feststoffelektrolyt-Batterien bzgl. ihrer elektrochemischen Kenndaten wie Energie, Leistung und Lebensdauer. Weiterhin sollen praktisch erreichbare Energie- und Leistungsdichten dieser Post-Lithium-Ionen-Systeme experimentell validiert werden. Hierbei liegt der Fokus der JLU insbesondere auf der Einbeziehung diverser Elektrodeneigenschaften und verschiedener Konzepte der Betriebsweise der untersuchten Batterien.

Die wichtigsten Aufgaben der AG Janek der JLU liegen primär im Bereich des Technologievergleiches und der Validierung der Post-Lithium-Ionen-Systeme wie der Li/Luft-, der Na/Luft- und der Feststoffelektrolyt-Batterie.

Als Hauptaufgabe wird die Validierung der Energiedichten und Lebensdauereigenschaften von Li/Luft-Batterien und Na/Luft-Batterien mit optimierten Gasdiffusionselektroden im Fokus stehen. Im Detail werden folgende Aspekte bearbeitet: a) Vermessung der Energiedichten und Lebensdauer eines Referenz-Systems; b) Vermessung der elektrochemischen Eigenschaften diverser Batterien mit mehrfach gekoppelten Redox-Mediatoren, welche die Zyklenstabilität, insbesondere beim Ladevorgang, und die erreichbare Batteriekapazität erhöhen; c) Vermessung der elektrochemischen Eigenschaften einer Batterie mit Protected-Anode, um deren Einfluss auf die Prozesse an der Gasdiffusionselektrode und somit die Auswirkung auf die praktische erreichbare Energiedichte und Lebensdauer zu ermitteln.

Zudem werden verschiedene Kohlenstoffe mit variierender Porosität, chemischer Zusammensetzung und Mikrostruktur auf die resultierende Kapazität und die kinetischen Eigenschaften der Gasdiffusionselektrode untersucht werden. Sämtliche elektrochemischen Experimente werden durch die in der AG Janek vorhanden spektroskopischen, -metrischen und mikroskopischen Techniken (SIMS, XPS, XRD, REM) flankiert, um beispielsweise Analysen der Reaktionsprodukte in den Batterien vorzunehmen.

Im Rahmen von BenchBatt wird das Leistungsvermögen von wirtschaftlichen Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien durch die Verwendung innovativer Anoden- und Kathodenmaterialien validiert und evaluiert. Hierbei sollen die Verbesserungspotenziale der Lithium-Ionen-Batterie-Technologie in Hinblick auf eine Erhöhung der Energiedichte überprüft werden. Im Vergleich dazu soll die praktisch erreichbare Energiedichte und die Wirtschaftlichkeit von Post-Lithium-Ionen-Batterie-Technologien (Li/S-, Lithium/Luft-, Na-Ionen-Systeme, Feststoff-Batterien („All-Solid-State“)) untersucht werden. Durch die Einbeziehung von Kosten- und Ressourcenabschätzungen für die betrachteten Systeme wird eine wirtschaftliche Umsetzung der Systeme beleuchtet.

Erfolgreiche Entwicklungen aus dem Projekt könnten während und nach dem Projekt zu marktfähigen Produkten weiterentwickelt, produziert und vermarktet werden. Die Innovationen werden in einem Projektableger gesammelt und dem Markt zur Verfügung gestellt. Somit wird die deutsche Wirtschaft und insbesondere der Wirtschaftszweig „Elektromobilität“ mit Erkenntnissen beliefert, die nachhaltig die Position des Standorts Deutschland auf diesem Gebiet sichern.