Material- und Prozessentwicklung für die effiziente Fertigung der großformatigen Bipolarbatterie

Für eine künftig breite Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen ist es nötig, die Produktkosten von Batteriesystemen auf weniger als 200 Euro/kWh zu verringern, durch Energiedichten von mehr als 450 Wh/L alltagstaugliche Reichweiten zu erreichen, sowie eine hohe Sicherheit zu gewährleisten.

Diese Entwicklungsaufgabe wurde für die etablierte monopolare Lithium-Zell-Technologie bisher mit inkrementellen, evolutionären Ansätzen adressiert, die bei der Einführung von Aktivmaterialien mit erhöhter Energiedichte oder optimiertem Zell- und Systempackaging ansetzen. Insbesondere die geforderten Energiedichten konnten auf diesem Wege allerdings bisher nicht erreicht werden. So stehen kommerziell inzwischen Lithium-Ionen-Zellen mit mehr als 650 Wh/L zur Verfügung. Im Ergebnis der notwendigen Integration im Batteriesystem ergibt sich aber wiederum eine signifikant niedrigere volumetrische Energiedichte von ca. 250 Wh/L.

Das EMBATT2.0-Konsortium setzt auf einen Ansatz, der im Gegensatz zu etablierten Lithium-Ionen-Batteriesystemen großflächige Bipolarbatteriestapel als zentrales Speicherelement nutzt. Gegenstand von EMBATT2.0 sind konkrete Material- und Prozessentwicklungen für EMBATT. An diesen Arbeiten beteiligen sich Partner mit ausgewiesener Expertise entlang der gesamten Wertschöpfungskette.

Bipolare Elektrodenaufbauten, wie etwa in der Brennstoffzellentechnik bereits bekannt, stapeln Einzelzellen als Stack und schalten diese in Reihe. Ein solcher Aufbau umgeht aufwändiges Zellpackaging und liefert Stackspannungen, die sich über die Anzahl der gestapelten Einzelzellen ergeben. Dadurch wird die Verbindungstechnik stark vereinfacht, da die Elektrodenträgerfolien selbst als großflächige Zellverbinder fungieren und der geringe Innenwiderstand die Möglichkeit gibt, sehr große Elektrodenflächen zu realisieren. Das EMBATT-Konzept überführt damit die hohe Energiedichte auf Zellebene direkt ins Batteriesystem und eliminiert den Modulaufbau als Zwischenebene. Damit werden Systemenergiedichten von mehr als 450 Wh/L ermöglicht.

Arbeitsschwerpunkte sind die Entwicklung von kostengünstig herstellbarem Kathodenmaterial LiNi0,5Mn1,5O4 mit einer definierte Primärpartikelgröße und ausgebildeten Kristalloberflächen.

Des Weiteren wird im Rahmen des Projektes eine anisotrop elektrisch leitfähige Polymerfolie als Ableiter mit elektrischer Leitfähigkeit in Richtung der Flächennormalen entwickelt werden, sowie ein polymerer Elektrolyt auf Basis von polymeren ionischen Flüssigkeiten, welcher eine definierte ionische Leitfähigkeit aufweist.

Diese Komponenten sollen aufeinander abgestimmt und mit weiteren Zellbestandteilen in eine Bipolarelektrode überführt werden. Anschließend wird ein geeignetes Zellkonzept entwickelt.

Die Elektroden werden anschließend in das Bipolarstackkonzept überführt. In diesem Zusammenhang wird ein angepasstes Dichtkonzept entwickelt und für den Zellstapel evaluiert.

Abschließend wird das entwickelte Stackkonzept simuliert, modelliert und anschließend validiert werden. Darauf aufbauend wird ein Batteriemanagementsystem entwickelt und betreffs elektrischen, thermischen und sicherheitsrelevanten Anforderungen angepasst werden.

Die anspruchsvollen Ziele des Projektes EMBATT2.0 werden von einem Verbund kompetenter Partnern entlang der Wertschöpfungskette vom Materialhersteller über den Technologietreiber bis zum Anwender bearbeitet. Die Bündelung dieser breiten Palette an Kompetenzen schafft optimale Voraussetzungen, die Erforschung neuer Materialien und innovativer Prozesse für die Realisierung großflächiger Bipolarbatterien zielgerichtet anzugehen. Dadurch können die technischen Risiken reduziert werden, die aus dem hohen wissenschaftlichen Anspruch und der technologischen Breite der Projektziele resultieren.

Mit erfolgreicher Umsetzung der Projektziele wird für den Wirtschaftsstandort eine neue Generation von Energiespeichern erschlossen. Die EMBATT-Technologie bietet aufgrund ihrer hohen Energiedichte von mehr als 450 Wh/L bei geplanten Systemkosten von weniger als 200 Euro/kWh [IAV/tk SY interne Studie] eine potenziell hohe Marktdurchdringung in Anwendungsgebieten für Industrie, erneuerbare Energien sowie den Nutz- und Individualverkehr.