Materialien und Komponenten für Batterien mit hoher Energiedichte

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.