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Theoretische Berechnung zur Steigerung der spezifischen Energie durch Zugabe von Silicium in Lithium-Ionen-Zellen anhand eines Modellsystems

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Hochenergiematerialien – kosteneffizient und ökologisch prozessiert

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Volkswagen AG

Global Group Communications

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Referat 523: Werkstoffinnovationen, Batterie; Hereon, KIT

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Referat T15: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für­ Forschung, Technologie und Raumfahrt Referat T15: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für­ Forschung, Technologie und Raumfahrt

Kontinuierlicher Prozess zur Extrusion wasserbasierter C/Si-Pasten als Beschichtungsmaterial für Anoden in Hochenergie-Lithium-Ionen-Zellen

Werk Salzgitter

Standortkommunikation Salzgitter

Volkswagen AG Werk Salzgitter

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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]

Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig

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Technische Universität Braunschweig

Stabsstelle Presse und Kommunikation

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Battery LabFactory Braunschweig

Technische Universität Braunschweig Braunschweiger LabFactories for Batteries and more Battery LabFactory Braunschweig

Braunschweiger LabFactories for Batteries and more

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SGL Carbon GmbH

Ziel der Forschungsarbeiten ist, die im Extrusionsverfahren produzierten Elektroden in den Zell-fertigungsprozess für gewickelte Rundzellen zu integrieren. Die Untersuchungen werden dabei in enger Verzahnung mit den vorhanden professionellen Fertigungsprozessen ablaufen. Anhand der Arbeiten werden die Herausforderungen und Lösungsansätze bei der Integration neuer Verfahren der Elektrodenfertigung identifiziert und durch passende Modelle bewertet.
Die Ergebnisse der Arbeiten lassen anschließend eine Übertragbarkeit auf unterschiedliche Zelltypen mit gewickeltem Zellaufbau zu. Beispielhaft sind hierbei die Wickelzellen im Knopfzellformat (VARTA CoinPower) oder in den Formaten 18650 oder 21700 zu nennen.

Das Teilprojekt bei der Varta Microbattery (VMB) gliedert sich in vier Arbeitsschwerpunkte, die in enger Verzahnung mit den Projektpartnern durchgeführt werden.
Startpunkt der Arbeiten ist die Herstellung und Untersuchung von Referenzelektroden auf Basis der abgestimmten Elektrodenrezepturen und Elektrodeneigenschaften. Neben der Elektrodenfertigung sind die Herstellung und der Test von Referenzzellen wesentlicher Bestandteil der Untersuchungen.

Ein zweiter Arbeitsschwerpunkt, der im Vergleich zum Referenzmaterial Graphit signifikante Änderungen erwarten lässt, fokussiert auf das Material Silicium-Kohlenstoff-Komposit. Bei VMB werden Herstellung und Fertigung von Zellen mit der im Projekt neu erforschten Zellchemie Silicium-Kohlenstoff-Komposit, basierend auf neuen Aktivmaterialien, Bindern und Elektrolyten untersucht. Die Erforschung der Eigenschaften einer ersten Generation von lösemittelfreien Elektroden aus dem Extrusionsverfahren werden in Zellen der VMB untersucht. Das bildet den dritten Arbeitsschwerpunkt bei der VMB.

Die Bewertung und der Vergleich der Zelleigenschaften basiert dabei auf Untersuchungen der Zellperformance sowie von Alterungstest (z. B. Zyklisierung) der hergestellten Testzellen.

In dem vierten Schwerpunkt wird das neu erforschte Verfahren bewertet. Dabei wird das im Projekt erforschte Herstellverfahren für Elektroden mit dem parallel untersuchten Referenzverfahren verglichen und es wird ein Bewertungsmodells anhand technischer, ökonomischer und ökologischer Kriterien aufgestellt.

Die Forschungsarbeiten sind so angelegt, dass ausgehend von den geplanten Forschungsergebnissen eine einfache Übertragung auf unterschiedliche Zellformate und Anwendungen erfolgen kann. So wird es möglich sein, trotz der Fokussierung auf ein Standarddesign, auf einfache Art und Weise aus den Elektroden Zellen in den Formaten der Varta CoinPower zu entwickeln, ein sehr gut am Markt etabliertes Produkt von Varta mit Schwerpunktanwendungen im Bereich Consumer electronics.
Daneben ist es auch möglich, größere Rundzellformate wie 18650 oder 21700 zu kreieren, deren Anwendungsspektrum von typischen Anwendungen der consumer electronics über die Mobilisierung von Elektrogeräten aus dem Bereich Haushalt, Garten und Bau bis zu Anwendungen in Fahrzeugen (Pedelec, electro-scooter, Fahrzeuge) und stationären Energiespeichern reicht. Die Forschungsarbeiten dienen zum Aufbau eines Technologievorsprungs im Bereich der Elektrodenfertigung und im Bereich des Hochenergiematerials Silicium-Kohlenstoff-Komposit, der die vorhandene Batteriefertigung stärken soll und den Ausbau weiterer Fertigungskapazitäten erlauben wird.

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VARTA Microbattery GmbH

Erforschung neuartiger, lösemittelfreier Fertigungsmethoden für Elektroden und deren Einsatz in Lithium-Ionen-Zellen

Herr Dr. Sebastian Schebesta

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Arlanxeo Deutschland GmbH

Zur evolutionären Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Technologie (LIT) steht ein Hochenergiezell-System der Generation 3a/3b (gemäß NPE-Roadmap 2016) als Zelltechnologie im Fokus.
Anodenseitig wird zur Erhöhung der Energiedichte der Einsatz von Kohlenstoff-Silicium-Materialien forciert. Silicium, als Aktivmaterial, zeichnet sich durch eine etwa zehnmal höhere Kapazität gegenüber Graphit aus, jedoch müssen grundlegende Herausforderungen vor der Kommerzialisierung erfolgreich gelöst werden. Durch die starke Volumenausdehnung im lithiierten Zustand sind die Elektroden anfällig für Pulverisierung, Agglomeration der Siliciumpartikel und hohe irreversible Verluste durch Reformierung der Passivierungsschichten, sodass die benötigte zyklische Lebensdauer der Zellen nicht gegeben ist.

Das allgemeine Ziel der am MEET durchgeführten Arbeitspakete ist die Erhöhung der zyklischen Lebensdauer der Hochenergiezelle mit Kohlenstoff-Silicium-Anoden. Die Arbeitsziele bauen sich entlang der inhaltlichen Projektstruktur auf und zielen auf Basis der Materialentwicklung (C/Si-Komposite, Binder, Separator, Elektrolyt) sowie der Entwicklung einer technologisch, wirtschaftlich und ökologisch überlegenen Material- und Prozesstechnik auf die Entwicklung einer innovativen Hochenergiezelle (NCM622 vs. C/Si) ab.

Das MEET befasst sich in AP 1 (Materialentwicklung und Zelldesign) speziell mit der Entwicklung neuartiger Binder für C/Si-Komposite sowie mit der Elektrolytentwicklung zur Steigerung der (Langzeit-)Performance der Hochenergiezellen.
Als mögliche alternative Binder für die wasserbasierte Anodenprozessierung werden seitens MEET naturbasierte Materialien eingesetzt. Ein besonderer Fokus liegt auf der Effizienz des Binders speziell bei höheren Si-Anteilen in der Anode, sodass zur Sicherstellung der essenziellen Bindereigenschaften Rezepturanpassungen im Vergleich zum CMC/SBR-Standardsystem in Erwägung gezogen werden müssen. In Absprache mit dem Projektpartner Arlanxeo sollen die Wirkmechanismen der neuartigen Binder eruiert werden. Basierend auf den Empfehlungen aus den Laborversuchen zur Rezeptur- und Mischprozessoptimierung (MEET) wird sich der Projektpartner iPAT mit der verfahrenstechnischen Validierung der Suspensions- und Elektrodenherstellung im Technikumsmaßstab befassen, bevor schließlich die physikalische, chemische und elektrochemische Bewertung der hergestellten Elektroden erfolgt.

Neben dem Einsatz optimierter Inaktivkomponenten (Binder, Separator) ist auch die Wahl eines geeigneten Elektrolytsystems ausschlaggebend für die elektrochemische Leistung, die Alterung und damit letztlich für die Sicherheit der Hochenergiezelle. In UAP 1.5 liegt der Fokus auf dem Screening und der Entwicklung von Elektrolyten zur Performancesteigerung der NMC622/C-Si-Hochenergiezellen. Auf Grundlage der elektrochemischen und analytischen Charakterisierung wird dem Konsortium ein für den Einsatz in großformatigen Zellen favorisiertes Elektrolytsystem empfohlen.

In AP 5 liegt ein weiterer Schwerpunkt der Aktivitäten am MEET auf der elektrochemischen Charakterisierung und Bewertung von Laborzellen und schließlich großformatigen Zellen im Entwicklungs- und Demonstrationsformat (bis 30 Ah).

Unmittelbarer Nutzen des Teilprojektes bei erfolgreicher Umsetzung ist die Vermarktung neuartiger Binder- und Elektrolytsysteme insbesondere für siliciumhaltige Anoden für Hochenergiezellen der Generation 3a/3b.
Generell soll die Entwicklung neuartiger Binder- und Elektrolytsysteme optimierte elektrochemische Eigenschaften ermöglichen, die eine Steigerung der Leistungsfähigkeit im Vergleich zur aktuellen Generation der Lithium-Ionen-Zellen erlauben. Zusätzlich sollen Strategien zur Minimierung der Strukturschädigung durch Lade- und Entladezyklen siliciumhaltiger Anoden erarbeitet werden, welche die Lebensdauer der Kohlenstoff-Silicium-Anoden erhöhen, speziell im Hinblick auf die Kompensation der Silicium-Volumenexpansion.

Zudem besteht die Möglichkeit das geschaffene Know-how, neben der Veröffentlichung in Fachzeitschiften und internationalen Konferenzen, durch einen Wissenstransfer auf andere Forschungsvorhaben zur Rezepturoptimierung und Entwicklung alternativer Batterietechnologien (z. B. Li-S) zu übertragen.

Westfälische Wilhelms-Universität Münster

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Universität Münster

Kommunikation und Öffentlichkeitsarbeit

Westfälische Wilhelms-Universität Münster, MEET - Münster Electrochemical Energy Technology

Duration	01/01/2018 - 30/06/2021
Project management	VW
City	Wolfsburg
Project participants	Arlanxeo SGL Carbon TU Braunschweig • BLB+ • BLB Uni Münster • MEET VARTA Microbattery
Amount of funding	3.973.477,00 €
Total budget	no information
Sponsor	BMFTR

Project

HEMkoop

Hochenergiematerialien – kosteneffizient und ökologisch prozessiert

Project partners

Sub-project 1

Duration:

Funding code:

Werk Salzgitter

Sub-project 2

Duration:

Funding code:

Battery LabFactory Braunschweig

Sub-project 3

Duration:

Funding code:

SGL Carbon GmbH

Sub-project 4

Duration:

Funding code:

VARTA Microbattery GmbH

Sub-project 5

Duration:

Funding code:

Arlanxeo Deutschland GmbH

Sub-project 6

Duration:

Funding code:

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology

Funding

This project is part of the funding initiative

Joint-project management

Volkswagen AG

Joint-project coordinator

Press contact

Links

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