ECC Batteries GmbH

Batt Abwicklungs GmbH

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Referat 523: Werkstoffinnovationen; Hereon

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Referat R25: Werkstoffinnovationen; Hereon

Bundesministerium für­ Forschung, Technologie und Raumfahrt Referat R25: Werkstoffinnovationen; Hereon

Bundesministerium für­ Forschung, Technologie und Raumfahrt

Das übergreifende Ziel des Verbundvorhabens MEET Hi-EnD war, einen klaren Fortschritt auf dem Weg zur nächsten Generation von Lithium-Batterien mit deutlich erhöhter Energiedichte zu erreichen. Dazu wurde bewusst der Fokus auf die Auswahl und Entwicklung neuer, besonders aussichtsreicher Materialkombinationen aus Elektrolyt-Elektrode-Systemen gelegt.
Charakteristisch für dieses Konzept ist, dass die Ergebnisse bereits für die Verbesserung der Energieinhalte aktueller Zellkonzepte verwendbar sein werden und so frühzeitig in eine Verwertungsphase kommen können. Andererseits sind die ausgewählten Entwicklungsschritte notwendige Voraussetzungen auf dem noch langen Weg in Richtung auf Lithium-Luft- und Lithium-Schwefel-Zellen, sodass sowohl die mittelfristige, als auch die langfristige Zellentwicklung abgedeckt wird.

Die Verbundstruktur beinhaltet neben der konzentrierten Materialentwicklung weitere Arbeitsschwerpunkte in den Bereichen Materialanalytik, Zellbau, Batterietest, Simulation und Analyse der Batteriealterung. Hinzu kommen in enger Verzahnung mit den Entwicklungsarbeiten eine begleitende wissenschaftliche Analyse der Wertschöpfungskette vom Batteriematerial bis hin zu Batteriemodulen, der Optimierungsmöglichkeiten beim Wissenstransfer innerhalb des Verbunds und über den Verbund hinaus in der Zusammenarbeit mit Zellherstellern und Batterieanwendern. In diesem Zusammenhang ist folgerichtig auch eine internationale Kooperation mit einer japanischen Partneruniversität im Verbund integriert, die durch den engen Austausch der sich hervorragend ergänzenden Erfahrungen Fortschritte bei der Entwicklung von Lithium-Luft-Zellen ermöglicht.

Die Arbeiten im Verbund sind in vier sogenannte Wing-Zentren organisiert. Wing I konzentriert sich auf Materialentwicklung und wird von Instituten des FZ Jülich und der WWU Münster getragen. Themenbereiche sind:
a) Entwicklung sicherer Lithium-Metallanoden und reversible Lithiumabscheidung,
b) Neue Hybrid-Elektrolyte aus Ils und Polymeren und Coatings für Anoden und Kathoden hoher Energiedichte in Lithium-Batterien,
c) Festelektrolyte und Fest/Polymer-Hybridkonzepte als sichere Elektrolyte für Anoden und Kathoden mit erhöhter Energiedichte und
d) strukturierte Oxidkathoden hoher Energiedichten auf Basis von Vanadium- und Manganoxiden in Kombination mit neuen, sicheren Elektrolyten.

In Wing II arbeiten Institute der RWTH Aachen und des FZ Jülich an drei Themenbereichen:
a) realitätsnahe Zyklisierung und Betriebs-Simulation von Vollzellen inklusive Alterungseffekten, mit 1D- auf 3D-Modellen,
b) Parametrisierung wesentlicher Zellmaterialien und Zellkonfigurationen mit Ziel der Langzeitvorhersage optimaler Betriebsbedingungen und
c) In-situ-Nanoanalytik und Korrelation Nanostruktur/Zellfunktion unter Einschluss von TEM-Methoden.

In Wing III arbeiten Institute der RWTH Aachen, der WWU Münster und des HIU Ulm an Arbeitspaketen zu
a) Zellherstellung: Realisierung/Entwicklung von Zellkonzepten mit neuen Materialkombinationen,
b) Analyse von Alterungsphänomenen, Rolle von Additiven und Kriterien für erhöhte Lebensdauer, sowie
c) Analyse von Wissenstransfer, Industriekonvergenz, Rohstoffversorgung und Verwertungsstrategien in der Batterieforschung, effiziente Wertschöpfungsketten.

Der vierte Bereich Wing IV wird getragen vom FZ Jülich, dem KIT in Karlsruhe, der WWU Münster und dem Kooperationspartner an der Mie-University in Japan und betrifft ein aussichtsreiches Konzept für Lithium-Luft-Zellen mit Multischicht-Elektrolytsystem, das eine Sauerstoff-Elektrode in alkalischem Flüssigelektrolyt mit einer festelektrolyt-geschützten Lithiummetall-Anode kombiniert.

Der Verbund MEET Hi-EnD vereint die gezielte elektrochemische Entwicklung von Hochenergie-Batterien und entsprechenden Batteriekomponenten mit wissenschaftlicher Fachkompetenz. Zudem strebt MEET Hi-EnD die gezielte Übertragung von Erkenntnissen, Konzepten und Laborprozessen aus und während der Entwicklung in die industrielle Praxis an. Des Weiteren steht die Patentierung der interdisziplinären Forschungs- und Entwicklungsergebnisse im Fokus.
Während der Antragslaufzeit werden neue Ergebnisse gezielt zu Schutzrechtsanmeldungen geführt. Darüber hinaus werden die umfangreichen neuen wissenschaftlichen Erkenntnisse und Materialdaten nach Prüfung auf Schutzrechtsanmeldung in wissenschaftlichen Publikationen der Öffentlichkeit zugänglich gemacht.

Es wird während der Laufzeit und nach Ende der Förderung dafür gesorgt, dass sich ein technischer Erfolg durch Übernahme von Ergebnissen bei industriellen Partnern in ihren Produkten realisieren lässt. Die sehr gute Abstimmung unter den Projektpartnern wird sicherstellen, dass Ergebnisse in die weitere, gezielte Entwicklung und Optimierung von Elektroden, Elektrolyten, Separatoren, Halbzellen und kompletten Zellen einfließen, was unter anderem durch Fortsetzungsprojekte unter maßgeblicher Industriebeteiligung angestrebt wird.

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ASB IEK1 blue FZ Juelich IEK 1 Meet Hi-End

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IEK-9 Institutsfotos 2014

Materialien und Komponenten für Batterien mit hoher Energiedichte

Herr Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer

Prof. Dr.

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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

Presse und Kommunikation

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik

Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe

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Analyse und Simulation von Zellprozessen und Gesamtzellverhalten in neuartigen Hochenergie-Batterien

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Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich

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[verbundprojekt]

[Verbundprojekt]

Ziel dieses Teilprojektes innerhalb des WING-Zentrums I und III im Vorhaben MEET HiEnD am Standort Münster (Institut für Anorganische und Analytische Chemie (Koordination), Institut für Physikalische Chemie/MEET Batterieforschungszentrum sowie das Institut für betriebswirtschaftliches Management im Fachbereich Chemie und Pharmazie) ist die Weiterentwicklung von neuen aussichtsreichen Batteriematerialien und Komponenten für Lithium-Batterien. 
Schwerpunkt sind dabei Zellen mit deutlich höherer Energiedichte im Vergleich zu gegenwärtig verfügbaren Lösungen. Angestrebt wird eine Verzehnfachung als Voraussetzung für den breiten Einstieg in die Elektromobilität. Weitere Ziele sind Transfer, Verwertung und Aufbau einer Informations- und Ausbildungsplattform als Grundlage für eine nachhaltige Verbreitung neuer Energiespeicherkonzepte und Materialinnovationen. 

Die Aktivitäten konzentrieren sich auf die folgenden Themen:
‐ Lithiummetall-Anoden in Kombination mit der Entwicklung angepasster, neuer Elektrolyte auf Basis von ionenleitenden Polymer-, Glas- und Keramikschichten,
‐ Dichte ionenleitende Schutzschichten für die Verwendung in Lithium-Ionen- und Lithium-Luft-Zellen,
‐ Hochvolt-Kathodenmaterialien mit der Möglichkeit zu überstöchiometrischer Einlagerung von Lithium,
‐ 3D-strukturierte Kathoden für Lithium-Luft-Zellen mit angepassten Elektrolyt- und Schutzschichten.

Entwicklung neuer Komponenten und Zellstrukturen, Anpassung der Zellfertigung daran und Transfer in die Anwendung sind Kerntätigkeiten. Die nachhaltige Übertragung der Ergebnisse in die industrielle Anwendung ist integraler Bestandteil der Verbundarbeit.
In einem separaten Pilotprojekt wird darüber hinaus die Kooperation deutscher und japanischer Wissenschaftler gestärkt durch gemeinsame Grundlagenentwicklung zu neuen und verbesserten Elektrolyten.

Die Arbeitsschwerpunkte in den WING-Zentren I und III betreffen zum einen die gezielte Entwicklung neuer und verbesserter Batteriekomponenten für Zellen mit hoher Energiedichte und zum anderen die Übertragung solcher Materialien in die Zellfertigung. Bei den Elektroden sind als Schwerpunkte Lithiummetall-Anoden, Kathodenmaterialien mit der Möglichkeit zu überstöchiometrischer Einlagerung von Lithium und 3D-strukturierte Kathoden für Lithium-Luft-Zellen zu nennen. Im Elektrolytbereich geht es um die Entwicklung daran angepasster, neuer Elektrolyte auf Basis von ionenleitenden Polymer-, Glas- und Keramikschichten sowie integrierter Schutzschichten.
Die Arbeitsschwerpunkte umfassen präparative Arbeiten zur Synthese von polymeren Elektrolytmaterialien, niedermolekularen Elektrolytzusätzen zu verschiedenen Kathodenstrukturen auf Oxid- und Kohlenstoffbasis sowie deren Kombination.
Eng verzahnt damit ist die Zellfertigung am Standort Münster. Die bereitgestellten Materialien werden hier in reale Zellen verbaut, vermessen und schließlich auf Anwendbarkeit überprüft. Neben elektrochemischer Analytik setzen die Gruppen aus Münster zur direkten Sicherstellung der Materialeigenschaften spektroskopische und bildgebende nanoanalytische Verfahren wie REM und AFM zur Untersuchung der Materialbeschaffenheit ein. Darüber hinaus erfolgt eine Analyse von Wissenstransfer, Industriekonvergenz, Rohstoffversorgung und Verwertungsstrategien in der Batterieforschung im Hinblick auf effiziente Wertschöpfungsketten.

Die Verwertung umfasst zwei Säulen: Als Erstes geht es um den Aufbau einer langfristigen Kooperation in den WING-Zentren mit den Partnerinstitutionen in Aachen und Jülich zu allen Bereichen der Grundlagenentwicklung und Verwertung von Batteriematerialien bis hin zur Fertigung von neuen Zellgenerationen hoher Energiedichte. Dies umfasst notwendigerweise auch die verstärkte Ausbildung von Nachwuchskräften zur Qualifikation für Laufbahnen in Industrie und Forschung. Die zweite wichtige Säule der Verwertung betrifft die Sicherung der Fortschritte und wichtigen Teilergebnisse in Schutzrechtsanmeldungen, die Publikation entscheidender Ergebnisse sowie Methoden und Schritte zum Transfer der Erkenntnisse in die Produktion. Dabei übernehmen zunächst die direkten und assoziierten Industriepartner eine wesentliche Rolle.

Westfälische Wilhelms-Universität Münster

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Universität Münster

Kommunikation und Öffentlichkeitsarbeit

Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Institut für Anorganische und Analytische Chemie

Arbeitsgruppe Wiemhöfer

Universität Münster Institut für Anorganische und Analytische Chemie Arbeitsgruppe Wiemhöfer

Institut für Anorganische und Analytische Chemie

Herr Prof. Dr. Hans-Dieter Wiemhöfer

Im Fokus dieses Teilprojektes stehen drei relevante Ansätze, welche für die Entwicklung von Lithium-Batterien der nächsten Generation von entscheidender Bedeutung sind.
Ein erster Ansatzpunkt ist die Synthese und Prozessierung neuer keramischer Festelektrolyte, welche in Festkörperbatterien oder als Schutzschichten in Lithium-Luft-Batterien eingesetzt werden können. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Ausführung als dünne Schicht – z. B. mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) oder nasschemischer Verfahren (z. B. Sol-Gel).

Zweitens bedarf auch besonders die Luft-Kathode der Lithium-Luft-Zellen noch deutlicher Entwicklungsarbeit. Eine Verbesserung der Kohlenstoff-Matrix sowie die Einbindung verbesserter Katalysatoren für die Sauerstoff-Evolutions- und Reduktions-Reaktion (OER bzw. ORR) ist erforderlich, um anwendungsrelevante Lade- und Entladeraten zu realisieren.

Drittens ist für ein modernes und fortschrittliches Werkstoffdesign das Verständnis der zwischen den einzelnen Komponenten der Batterie ablaufenden Vorgänge und der dadurch hervorgerufenen wechselseitigen Beeinflussung der Werkstoffe von großer Wichtigkeit. Daher muss es das Ziel sein, die grundlegenden Phänomene der Strukturänderungen während des Betriebes zu verstehen und beschreiben zu können.

Verschiedene Festkörperelektrolyte der Phosphat- und Oxid-Klasse wurden synthetisiert und prozessiert. Substitutionen des keramischen Lithium-Ionen-Leiters LLZ (Li7La3Zr2O12) z. B. mittels Yttrium, Aluminium und Tantal sowie Dünnschichtabscheidungen, Funktionsschichten für Lithium-Luft-Zellen und die Verarbeitung zu Festkörper-Vollzellen wurden erfolgreich realisiert. So wurden z. B. erstmals LLZ-Dünnschichten in der kubischen Granatstruktur hergestellt und für diese eine hohe totale Lithium-Ionenleitfähigkeit im 0,0001 S/cm Bereich nachgewiesen.
Anodenseitig ist Lithium-Metall ein ideales Material, um möglichste hohe Energiedichten zu realisieren. In Lithium-Luft-Zellen mit wässrigem Elektrolyt ist allerdings eine Anodenschutzschicht unerlässlicher Bestandteil jeder Zelle und auch bei der Verwendung in Festkörperbatterien muss der Elektrolyt hinreichende Stabilität zeigen. Diese Stabilität konnte für die hergestellten Zellen und Funktionsschichten aus LLZ gezeigt werden. Abschließend wurden Hybridelektrolytkonzepte mit keramischen und polymeren Komponenten erfolgreich getestet.

Die Entwicklung von stabilen Kathoden für Lithium-Luft-Zellen, an denen die Lithium-Reduktion reversibel ablaufen kann, war auch Schwerpunkt der Untersuchungen. Zurzeit basieren die meisten Ansätze u. a. auf alpha-Mangamdioxid-Katalysatoren, für unsere Untersuchungen rückten wir jedoch die Perowskite {mit der generellen Formel (La,Sr)(Co,Fe)O3} in den Fokus. Dabei bietet sich der gesamte Phasenraum dieser Verbindungen als Untersuchungsgebiet an. Maximierung der OER und ORR durch z. B. Veränderung der Sauerstoffstöchiometrie konnten gezeigt werden. Abschließend wurden erste Test mit neuen Kohlenstoff-Trägerstrukturen unternommen, um die Gesamtperformanz noch weiter zu steigern.

Schließlich wurde im Rahmen dieses Projektes ein integraler Ansatz gewählt, um die Entwicklung der Mikrostruktur unter Betriebsbedingungen zu charakterisieren und modellieren. Dies betrifft sowohl die Kinetik der ablaufenden Interkalations- und De-Interkalationsreaktionen als auch die Veränderungen der Strukturen der Werkstoffe während des Betriebes und auf Grund von Degradationsreaktionen. Das primäre Ziel, einen konsistenten Satz an thermodynamischen Daten für die relevanten Werkstoffsysteme zu erstellen und für Modellrechnungen zur Abbildung der experimentell beobachteten Phänomene zu verwenden, konnte an ausgewählten Materialien und Reaktionen gezeigt werden.

Die Stabilitätsuntersuchungen und (Dünnschicht-)Prozessierung von Festkörperelektrolyten sind essentiell für viele Batteriekonzepte der nächsten Generation. Festkörper- und Lithium-Luft-Batterien können, auf unterschiedlichen Zeitskalen, einen wichtigen Beitrag zur revolutionären Entwicklung der Energiespeicher leisten. Hochleitfähige Festkörperelektrolyte, Schutzschichten für metallische Lithium-Anoden sowie neue Katalysatoren und Trägerstrukturen für Luft-Kathoden sind hierfür unabdingbare Meilensteine. Um die Materialentwicklung gezielt vorantreiben zu können, ist eine Modellierung der unterschiedlichen Prozesse und ihrer komplexen Abhängigkeiten in realen Zellen notwendig. Präzisere Modell und eine breitere Datenbasis können die zielgerichtete Material- und Zelloptimierung daher stark beschleunigen.

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Forschungszentrum Jülich GmbH

Unternehmenskommunikation

Neue Elektroden, Elektrolyt und Schutzschichtkonzepte für Lithium-Batterien mit hoher Energiedichte

Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung, Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren

Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung

Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IMD-2)

Forschungszentrum Jülich GmbH Institute of Energy Materials and Devices (IMD) Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IMD-2)

Institute of Energy Materials and Devices (IMD)

Herr Dr. Martin Finsterbusch

Im Teilprojekt sollen in Kooperation mit den Partnern Forschungszentrum Jülich GmbH (FZJ), Westfälische Wilhelms-Universität Münster und Mie University wasserbasierte Lithium-Luft-Zellen auf Basis eines LTAP-Dünnschichtelektrolyten entwickelt werden.
Eine Voraussetzung für die Entwicklung einer derartigen Lithium-Luft-Zelle ist das Verständnis der Transportvorgänge im Elektrolyten, der Einfluss von Defekten und Korngrenzen sowie Wechselwirkungen zwischen Elektrolyt und Elektroden. Die Impedanzspektroskopie, ein Forschungsschwerpunkt am KIT IAM-WET ist das Mittel der Wahl, um diese Zusammenhänge zu untersuchen. Modelle, die den Lithiumtransport im Festelektrolyten wie auch über die Grenze Festelektrolyt/Elektrode beschreiben, sollen entwickelt und validiert werden.

Die in den Elektroden ablaufenden elektrochemischen Prozesse sollen durch Impedanzmessungen an Halb- und Vollzellen und die Auswertung der Impedanzspektren über die Verteilungsfunktion der Relaxationszeiten analysiert werden. Auf Basis der experimentellen Ergebnisse werden Modelle entwickelt, die quantitative Aussagen über den Anteil der einzelnen elektrochemischen Prozesse am Innenwiderstand der Zelle ermöglichen. In Abhängigkeit von der jeweiligen Fragestellung sollen sowohl homogenisierte als auch ortsaufgelöste FEM-Mikrostrukturmodelle eingesetzt werden.

Das wissenschaftliche Ziel der Arbeiten am KIT IAM-WET ist ein Zellmodell für Lithium-Luft-Zellen, welches Vorhersagen über Kapazität und Innenwiderstand einer Zelle in Abhängigkeit von materialspezifischen und mikrostrukturellen Kenngrößen und dem gewählten Zellaufbau ermöglicht. Durch Simulationsrechnungen mit entsprechenden Parametervariationen soll der Einfluss der verschiedenen Parameter analysiert werden. Ferner sollen Designrichtlinien für Lithium-Luft-Zellen abgeleitet werden. Diese fließen in die Entwicklung leistungsfähiger Elektrolyt- und Elektrodenstrukturen ein, die eine signifikante Verbesserung der Leistungsdichte und Zyklenstabilität der Lithium-Luft-Zelle  erwarten lassen.

Am KIT IAM-WET wurden drei Arbeitsschwerpunkte verfolgt:
1. Experimentelle Untersuchungen und Modellierung von Festelektrolyten:
Es wurden Festelektrolyte unterschiedlicher Zusammensetzung mittels Impedanzspektroskopie untersucht. Zur Erfassung der Bulkleitfähigkeit wurde ein Hochfrequenz-Impedanzmessplatz (fmax = 3 GHz) entwickelt. Dieser Aufbau erlaubt eine Messung der Bulkleitfähigkeit unter Verwendung blockierender Elektroden. Um bei der Bestimmung von niederfrequenten Korngrenzwiderständen keinen Einfluss der blockierenden Elektroden zu überlagern, wurde eine neu entwickelte Interface-Zelle eingesetzt.

2. Experimentelle Untersuchungen und Modellierung von Lithium-Luft-Zellen:

Neben der Analyse der verwendeten Einzelkomponenten wurden auch die vorhandenen Grenzflächen auf Stabilität, sowie deren Grenzflächenwiderstand untersucht. Um dies ohne Überlagerung anderer Prozesse zu ermöglichen, wurde ein Aufbau entwickelt (Interface-Zelle), der eine experimentelle Untersuchung von Festelektrolyt/Flüssigelektrolyt-Grenzflächen ermöglicht. Basierend auf diesem Setup konnten die entsprechenden Grenzflächenwiderstände und deren Zeitkonstanten in Abhängigkeit von Parametervariationen (z. B. Temperatur und Ladezustand) mittels Impedanzspektroskopie bestimmt werden. Die gemessenen Spektren wurden mit Hilfe von geeigneten Ersatzschaltbildmodellen ausgewertet, um die Prozesse und deren Abhängigkeit entsprechend zu quantifizieren. Mit Hilfe dieser Parameter wurde ein Modell aufgestellt, das eine Vorhersage der Zellimpedanz unter Berücksichtigung von Mikrostrukturparametern ermöglicht.

3. Kooperation und Know-how-Transfer:

Ein weiterer wichtiger Baustein des Projektes lag in der Zusammenarbeit zwischen japanischen und deutschen Wissenschaftlern. Im Rahmen mehrerer Gastaufenthalte erfolgte ein intensiver wissenschaftlicher Austausch im Hinblick auf die Synthese von Komponenten für Lithium-Luft-Zellen, den Aufbau von Vollzellen sowie Impedanzanalyse und Mikrostrukturrekonstruktion.

Die Lithium-Luft-Zelltechnologie ist im Vergleich zu anderen lithiumbasierten Batterietechnologien noch am weitesten von der Produktreife entfernt, besitzt aber im Hinblick auf ihre Energiedichte ein weitaus höheres Potenzial. Experimentelle Untersuchungen in Kombination mit Modellbildung und Simulation haben gezeigt, dass mit einem entsprechenden Zelldesign eine leistungsfähige Lithium-Luft-Zelle realisierbar sein sollte. Die erzielten Ergebnisse können in Folgeprojekten Designrichtlinien für die Realisierung leistungsfähiger Lithium-Luft-Zellen liefern.
Die im Rahmen des Projektes entwickelten Messverfahren ermöglichen, teilweise erstmalig in der Literatur (Interfaces), die Quantifizierung von relevanten Beiträgen (Einzelkomponenten und Interfaces) zur Gesamtperformance von Lithium-Luft-Zellen. Darüber hinaus sind diese auch auf andere elektrochemische Systeme übertragbar. So wird die Hochfrequenz-Impedanzmesstechnik bereits in der Entwicklung von All-solid-state-Batterien (BMBF-Projekt Felizia) eingesetzt, es können aber auch andere ionische und elektronische Leiter (z. B. Natrium-Ionen-Leiter und Sauerstoffmembranen) charakterisiert werden. Die im Projekt entwickelte Interface-Zelle kann für andere elektrochemische Konzepte angewendet werden, in denen Fest/Flüssig-Grenzflächen eine Rolle spielen.

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Universitätsaufgaben, Campus Süd

Karlsruher Institut für Technologie Universitätsaufgaben, Campus Süd

Karlsruher Institut für Technologie

Elektrochemische Charakterisierung und Modellierung festelektrolytbasierter Lithium-Luft-Zellen

Institut für Angewandte Materialien

Werkstoffe der Elektrotechnik

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Elektrochemische Technologien

Karlsruher Institut für Technologie Institut für Angewandte Materialien Elektrochemische Technologien

Frau Prof. Dr. Ellen Ivers-Tiffée

Die Verfügbarkeit von aufladbaren Batteriespeichern mit exzellenter Performance wird in Zukunft eine immer größere Rolle in der technischen Entwicklung und in der Realwirtschaft einnehmen. Dies steht im Zusammenhang mit dem teilweisen oder vollständigen Ersatz fossiler Brennstoffe für mobile Anwendungen sowie der verstärkten Nutzung von regenerativen Energiequellen, die durch die aktuellen Diskussionen rund um die Nutzung der Kernkraft noch weiter an Bedeutung gewonnen haben.
Für den Technologiestandort Deutschland ist es wichtig, die im Zusammenhang mit Batteriespeichern stehende Wertschöpfungskette vollständig abzubilden, wobei hier vor allem der Material-, Komponenten- und Zellentwicklung eine besondere Rolle zukommt. Das übergreifende zentrale Ziel des Verbunds MEET Hi-EnD ist es, durch Fokussierung auf eine Auswahl neuer Materialien einen klaren Fortschritt auf dem Weg zur nächsten Generation von Lithium-Batterien mit deutlich erhöhter Energiedichte zu erreichen. Angestrebt wird eine Verfünffachung als Voraussetzung für den breiten Einstieg in die Elektromobilität. 
Um den Übergang zu Batteriesystemen mit höherer Energiedichte zu ermöglichen, ist jedoch die Entwicklung neuer Elektroden- und Elektrolytmaterialien notwendig. Bei den bisher in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten oxidischen Kathodenmaterialien ist die Lithiumeinlagerung auf maximal ein Lithiumatom pro Formeleinheit des Aktivmaterials begrenzt. Eine vielversprechende Materialklasse zur Realisierung von Hochkapazitätskathoden sind nanostrukturierte, hochporöse Einlagerungsmaterialien, die deutlich höhere maximal realisierbare Lithium-Gehalte im „überstöchiometrischen“ Konzentrationsbereich erlauben, ohne dass nachteilige strukturelle Änderungen auftreten. Als Anodenmaterial für Hochenergiebatterien würde sich Lithiummetall aufgrund der hohen spezifischen Kapazität am besten eignen.
Jedoch können die klassischen organischen Flüssigelektrolyte der Lithium-Ionen-Technologie nicht in Kombination mit Lithiummetall-Anoden und Kathoden mit hoher Lithiumkapazität eingesetzt werden. Daher ist die Entwicklung neuer Elektrolytkonzepte notwendig. Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von Elektrolyten auf Basis von ionischen Flüssigkeiten. Attraktiv an solchen Elektrolyten ist neben der hohen chemischen und thermischen Stabilität die erhöhte Sicherheit.

Die Aktivitäten des Teilprojekts des KIT (HIU) sind standortübergreifend in die WING-Zentren I und III des Projekts MEET Hi-EnD integriert. Der Inhalt des Teilprojektes ist die Entwicklung neuer und verbesserter Komponenten für Batterien mit hoher Energiedichte sowie der Einsatz und die Etablierung dieser Materialien in der Zellfertigung. Ein Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung neuer Elektrolyte auf Basis ionischer Flüssigkeiten, sowie der Synthese nanostrukturierter, hochporöser Kathoden mit hoher spezifischer Kapazität. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Verarbeitung der Materialien für Zelltests und der elektrochemischen Charakterisierung.
Bei den Elektrolytsystemen ist die Herstellung angepasster ionischer Flüssigkeiten ein zentraler Punkt. Durch die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten sind die für Hochenergiebatterien gewünschten Eigenschaften wie hohe thermische Stabilität, niedriger Dampfdruck, sehr gute Leitfähigkeit und ausgezeichnete elektrochemische Stabilität erreichbar. Dabei steht die gezielte Entwicklung neuer ionischer Flüssigkeiten mit erhöhter Lithiumlöslichkeit durch die Verwendung bereits etablierter Syntheseprozeduren im Vordergrund. Diese sollen neben einer hohen Löslichkeit für Lithium auch einen schnellen Transport ermöglichen. 
Auf der Kathodenseite ist die Synthese, Charakterisierung und Optimierung von nanostrukturierten, hochposören Einlagerungsmaterialien wie Aero- und Xerogelen auf Basis von Vanadiumoxidsystemen der Hauptfokus. Durch die stabile, poröse Struktur der Oxidkathoden können höhere Lithiumeinlagerungskapazitäten erreicht werden. Dies eröffnet die Möglichkeit hohe Energiedichte und hohe Leistung effektiv miteinander zu kombinieren.
Unter Verwendung der von Projektpartnern entwickelten und zur Verfügung gestellten Materialien werden mit der am KIT (HIU) vorhandenen Produktionstechnologie Zellen gefertigt und getestet. Dadurch soll die Material- und Zellentwicklung in Hinblick auf die praktische Umsetzbarkeit und Anwendbarkeit der einzelnen Komponenten optimiert sowie eine standardisierte Zellherstellung zur anschließenden systematischen Untersuchung der Eigenschaften erreicht werden.

Das in diesem Teilprojekt entwickelte Zellkonzept vereint die Vorteile der Verwendung von Kathodenmaterialien mit hoher Lithiumkapazität und Elektrolyten mit verbesserter thermischer und (elektro)-chemischer Stabilität sowie erhöhter Sicherheit. Die poröse Struktur der Einlagerungsmaterialien ermöglicht es dem Elektrolyten, weit in die Kathodenstruktur zu penetrieren. Zusätzlich wird durch die spezielle bandähnliche Morphologie der Vanadiumoxidaerogele der Diffusionspfad der interkalierten Ionen minimiert.
Der Einsatz von ionischen Flüssigkeiten in dieser Zellchemie führt nicht nur zu einer Verbesserung der Langzeitzyklenstabilität, sondern ermöglicht auch die Anwendung dieser Systeme bei Temperaturen über Raumtemperatur. Dadurch benötigen die vorgeschlagenen Zellen im Gegensatz zu konventionellen Lithium-Ionen-Batterien keine zusätzliche Kühlung. Dies ermöglicht die Einsparung von Kosten bei der Implementierung dieser Zellen in ein Batteriesystem. Zusätzlich kann durch die entwickelte Elektrodenprozessierung auf die Verwendung giftiger und gefährlicher Chemikalien verzichtet werden. Der Einsatz ionischer Flüssigkeiten führt des Weiteren zu einer Verbesserung der Recyclierbarkeit der Elektrolyte. 
Durch die Kombination der beiden neu entwickelten Komponenten können Hochenergiespeichersysteme mit verbessertem Zyklisierverhalten und erhöhter Sicherheit realisiert werden, die auch im Hinblich auf Umweltfreundlichkeit Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik der wieder aufladbaren elektrochemischen Energiespeichersysteme aufweisen.

Großforschungsaufgaben, Campus Nord

Karlsruher Institut für Technologie Großforschungsaufgaben, Campus Nord

Weiterentwicklung einschließlich des Transfers in der Zellfertigung von aussichtsreichen Hochkapazitätsbatteriematerialien

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Helmholtz-Institut Ulm

Marketing & Öffentlichkeitsarbeit

Herr Prof. Dr. Stefano Passerini

meet hi-end

MEET Hi-END

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Duration	01/10/2012 - 30/09/2014
Executing unit	Batt Abwicklungs GmbH
City	Geesthacht
Amount of funding	21.993,00 €
Total budget	no information
Sponsor	BMFTR

Project

MEET Hi-END

Materialien und Komponenten für Batterien mit hoher Energiedichte

Project management as

Batt Abwicklungs GmbH
discontinued

Batt Abwicklungs GmbH
discontinued

Funding

This project is part of the joint project

MEET Hi-END

Other sub-projects of the joint project

Sub-project 1

Duration:

Funding code:

Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik

Sub-project 2

Duration:

Funding code:

Arbeitsgruppe Wiemhöfer

Sub-project 3

Duration:

Funding code:

Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IMD-2)

Sub-project 4

Duration:

Funding code:

Elektrochemische Technologien

Sub-project 6

Duration:

Funding code:

Helmholtz-Institut Ulm

Sub-project lead

Batt Abwicklungs GmbH
discontinued

Sub-project manager

Joint-project management

Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik

Joint-project coordinator

Press contact

Final reports and other publications at the TIB - Leibniz Information Centre for Science and Technology and University Library