Schnellladefähige Lithium-Energiespeicher mit verbesserter Energiedichte für den Einsatz in modularen Unterstützungs- und Antriebskonzepten

Der Klimaschutz und eine sichere, bezahlbare Energieversorgung sind Voraussetzungen für eine nachhaltige Entwicklung des Industriestandortes Deutschland. Deshalb ist die erfolgreiche Einführung der Elektromobilität sowie die Umsetzung der generationenübergreifenden „Energiewende“ von zentraler Bedeutung für Deutschland. Ein Hauptelement für den Erfolg der Elektromobilität stellt die Verfügbarkeit von leistungsfähigen und sicheren Batterien dar, da nur mit ihnen eine große Nutzerakzeptanz erreicht werden kann. Die Wertschöpfung in Elektrofahrzeugen liegt zu 30 bis 40 Prozent bei der Batterie und davon der überwiegende Anteil bei der Zellfertigung. Die Zellfertigung als wichtiges Segment der Wertschöpfungskette sollte schon allein aus diesem Grund konsequent in eine nationale industrielle Infrastruktur abgebildet werden.

Die derzeitige Weltmarktsituation ist geprägt von der in Asien angesiedelten, etablierten Zellproduktion klassischer Lithium-Ionen-Batterien, deren Markt von starken Preisverfällen gezeichnet ist. Die für Deutschland beste Handlungsoption zum nachhaltigen Aufbau einer lokalen Zellfertigung ist daher eine übergreifende Zusammenarbeit entlang der Wertschöpfungskette, um innovative, differenzierungsstarke, und marktrelevante Produkte herzustellen.

Das zentrale Ziel des HiPoLiT-Projektes ist daher die Erarbeitung, der Aufbau und die Erprobung von Demonstratoren für praxisgerechte, energiedichteoptimierte Lithium-Ionen-Batterien auf Lithiumtitanoxid-(LTO-)Basis. Diese sollen auch bei niedrigen Temperaturen extrem schnellladefähig sein und durch Kombination mit Hochvoltkathoden mit verbesserter Eigensicherheit und Langzeitstabilität auch bei Zyklusprozessen eine gefahrlose Aufladung von Fahrzeugen innerhalb weniger Minuten erlauben. Im HiPoLiT-Projekt soll die Erprobung der Batterievorteile praxisnah in Elektrobootsantrieben verifiziert werden. Gerade auf dem Wasser gibt es weltweit eine Vielzahl von Kurzstreckenanwendungen, die trotz begrenzter Reichweite bei einer raschen Ladefähigkeit die Vorteile eines elektrischen Antriebes sofort und auch finanziell vorteilhaft nutzen könnten.

Zur Erreichung der Ziele sind intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der Material- und Komponentenforschung, der Prozesstechnologie, der Skalierung und der Speicherintegration notwendig.

Materialtechnologie: Im HiPoLiT-Vorhaben werden zur Erreichung einer erhöhten Energiedichte eines LTO-basierten Systems durch Einführung von Hochvolt-(HV-)Kathodenmaterialien Forschungsarbeiten an Kathode und Anode, dem Elektrolyten und dem Separator durchgeführt. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Schnellladefähigkeit, Lebensdauer, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit des Systems. Die Spannungslage der HV-Kathode mit bis zu 5 V macht besondere Forschungssanstrengungen für den Elektrolyten und den Separator notwendig.

Zelldesign: Der Schnellladebetrieb ist mit erhöhter Wärmeleistung verbunden. Die Komponenten und das Zelldesign als Ganzes werden auf eine möglichst geringe Wärmeproduktion auf Zellebene und eine gute thermische Ankopplung ans System optimiert. Zudem gilt es, den Transfer der Herstellungsprozesse aus dem Labor in eine industrielle Komponenten- und Zellfertigungsumgebung zu bewerkstelligen.

Prozesstechnologie: Eine Materialsubstitution durch die Einführung von drei wesentlichen Komponenten wie einer HV-Kathode mit einem HV-stabilen Elektrolyten und einem neu entwickelten Separator hat erheblichen Einfluss auf die Funktionalität und Stabilität des ganzen Systems „Zelle“ und erfordert Anpassungsarbeiten und elektrochemische Untersuchungen.

Batteriedesign: Um die praxisrelevante Tauglichkeit des neuen Batteriekonzeptes sicherzustellen, werden anwendungsgerechte Batterien hergestellt und deren Charakterisierung unter realistischen, relevanten Prüfbedingungen als „elektrischer Bootsantrieb“ durchgeführt. Die Erprobung erlaubt auch zuverlässige „total cost of ownership“-Betrachtungen zur weiteren Erhärtung der Vorteile.

Die Verfügbarkeit von leistungsfähigen und sicheren Batterien stellt ein Hauptelement für den Erfolg der Elektromobilität dar, da nur mit ihnen eine große Nutzerakzeptanz erreicht werden kann. Die Verwertung der HiPoLiT-Batterie ist zunächst in elektrischen Boots- und anderen industriellen Anwendungen vorgesehen. Mittelfristig wird sie zudem auch für automobile Anwendungen als attraktiv bewertet, da Schnellladefähigkeit bei niedrigen Temperaturen eine deutliche Performance-Verbesserung auch für Batterien in Hybrid-Elektrofahrzeugen darstellt.

Das HiPoLiT-Konsortium hat ein stark differenzierungsfähiges Komponenten- und Zellkonzept identifiziert, welches es mit der klaren Zielstellung der baldigen Industrialisierung erforschen wird. Das HiPoLiT-Projekt ist somit im Einklang mit dem erklärten Ziel der Bundesregierung, die Lithium-Ionen-Zelltechnologie als Schlüsseltechnologie der elektrochemischen Energiespeicherung auch in Deutschland wieder fest zu verankern, um ihr großes Wertschöpfungspotenzial verfügbar zu machen und strategische Abhängigkeiten zu vermeiden. Damit einher geht natürlich auch ein Aufbau von Arbeitsplätzen.