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

Sekundäre Energiespeicher spielen zunehmend eine zentrale Rolle, um neue, elektrifizierte Produkte für Kunden attraktiv und erschwinglich zu machen. Welche Technologie dabei in den nächsten Jahren diesen Bedarf vornehmlich bedienen wird und welche Möglichkeiten wir durch neue Technologien in Zukunft verfügbar machen können, ist noch offen. In diesem Teilprojekt der Technischen Universität Braunschweig des Verbundprojektes BenchBatt sollen Potenziale in der Lithium-Ionen- und in der Lithium-Schwefel-Technologie aufgedeckt und bewertet werden.

Dabei ermöglicht die Forschungsumgebung der Battery LabFactory Braunschweig (BLB) die Qualifizierung der Produktionsprozesse der Batterieelektroden in kontinuierlichem Pilotmaßstab durch die Betrachtung der kritischen Prozessparameter zur Erzeugung von Hochenergie- und Hochleistungsbatterieelektroden. Neben den technischen Parametern sind für den späteren Erfolg einer Technologie zudem ökonomische Aspekte von großer Bedeutung. Mit entsprechenden Lebenszyklusmodellen wird die Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Technologien bewertet. Hierbei sind neben den Produktionskosten auch die Ausgaben während der Nutzung und die Aufwände für Recycling oder Entsorgung der Energiespeicher zu betrachten.

Das Institut für Partikeltechnik beschäftigt sich mit prozesstechnischen Fragestellungen zur Validierung und Optimierung von Lithium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterieelektroden. Hierfür werden zunächst Referenzelektroden nach dem aktuellen Stand der Technik unter Berücksichtigung der Publikationslage im kontinuierlichen Maßstab hergestellt. Darauf aufbauend werden Optimierungen hinsichtlich sensibler Prozessparameter durchgeführt, um die Energieinhalte und die Leistungsfähigkeiten der hergestellten Batterieelektroden zu steigern. In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern werden neu entwickelte Aktivmaterialien in die kontinuierliche Elektrodenproduktion überführt. Die erreichten Eigenschaften wie Energiedichte werden auf greif- und vergleichbare Kenndaten hochgerechnet, sodass ein objektiver Technologievergleich an validierten Elektroden und Zellsystemen stattfinden kann.

Das Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, Professur für Nachhaltige Produktion und Life Cycle Engineering forscht an der ganzheitlichen Analyse und Bewertung von Produkten und Prozessen. Für sekundäre elektrochemische Energiespeicher werden im Rahmen des Projekts BenchBatt neue Modelle zur Beschreibung des Lebenszyklus von verschiedenen Batterietechnologien erarbeitet und mit konkreten Messungen der Energie- und Materialverbräuche hinterlegt. Betrachtet wird dabei der komplette Lebensweg, von der Produktion über die Nutzung bis zum End-of-Life. Mithilfe der Lebenszyklusmodelle können den einzelnen Lebensphasen konkrete Kosten zugeordnet werden, um so Handlungsempfehlungen zur Optimierung der Wirtschaftlichkeit einer spezifischen Batterietechnologie zu geben. Mit der Implementierung der Modelle in Form einer Simulationssoftware steht zukünftig ein neues Werkzeug zur Verfügung, um die Wirtschaftlichkeit von Batterietechnologien umfassend analysieren und visualisieren zu können.

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes werden wichtige wissenschaftliche und technische Erfolge im Bereich der Prozess- und Zellfertigungstechnologie sowohl für Lithium-Ionen-Batterien als auch für Post-Lithium-Ionen-Systeme, insbesondere Lithium-Schwefel, erwartet. Konkret wird ein Vergleich sowohl der technischen als auch der wirtschaftlichen Performance der bestehenden Lithium-Ionen-Zellen mit neuartigen Systemen wie etwa Lithium-Schwefel oder Lithium-Luft erarbeitet. Daneben werden durch die Optimierung der Lithium-Ionen-Elektroden auf Anoden- und Kathodenseite deren Potenzial und insbesondere auch das Verständnis für die Prozesseinflüsse weiter ausgebaut.

Für die Lithium-Schwefel-Systeme wird neben der detaillierten Untersuchung des Herstellprozesses das erste Mal auch eine ganzheitliche Energiebilanzierung angestrebt. Durch diesen Ansatz werden nicht nur technisch-wissenschaftliche Prozesseinflüsse ermittelt, sondern darüber hinaus auch die energetischen Veränderungen der Herstellungsprozesse sichtbar.

Die TU Braunschweig (namentlich das Institut für Partikeltechnik sowie das Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik) leisten in der Forschungsumgebung der Battery LabFactory Braunschweig durch ihre Aktivitäten einen wichtigen Beitrag für dieses Forschungsvorhaben, welches damit für zukünftige Fragestellungen und Projekte eine wertvolle Basis im Bereich des life cycle costing und der verfahrenstechnischen Aspekte der Batterieelektrodenproduktion, auch für zukünftige Batteriegenerationen, darstellt.