Benchmarking und Evaluation der Leistungsfähigkeit und Kosten von Hochenergie- und Hochvolt-Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu Post-Lithium-Ionen Technologien

Die Beantwortung der Frage, welche Batterietechnologie der nächsten Generation mit signifikant höheren Energieinhalten sich gegenüber der Lithium-Ionen-Batterie (LIB), also dem heutigen Stand der Technik, wird durchsetzen können, ist noch immer offen. Das Verbundprojekt BenchBatt beschäftigt sich mit der Validierung und Evaluierung von neuartigen Hochenergie- und Hochvolt-LIB im Vergleich zu alternativen Batteriesystemen (AB), dabei insbesondere dem Lithium-Luft-System, dem Lithium-Schwefel-System und Natrium-basierten Batterien (Natrium-Ionen- sowie Natrium-Luft-Batterien) als auch den Feststoffbatterien.

Die zentrale Fragestellung betrifft die zukünftige Konkurrenzfähigkeit bezüglich spezifischer und volumetrischer Energie sowie Kosten und perspektivische Materialverfügbarkeit von energieoptimierten LIB gegenüber realisierungsfähigen AB in Hinblick auf automobile und stationäre Anwendungen. LIB lassen sich generell durch die Wahl geeigneter Material-, Prozess- und Systemparameter entweder als Hochenergie- oder als Hochleistungssystem auslegen. Gegenüber LIB stellen AB hingegen sehr viel höhere theoretische Energieinhalte in Aussicht. Allerdings befinden sich die AB, dabei insbesondere das Lithium-Luft-System, technologisch noch immer im Grundlagenforschungsstadium, während sich die LIB-Technologie stetig weiterentwickelt.

Innerhalb von BenchBatt soll systematisch untersucht werden, inwieweit die zurzeit verwendete LIB-Technologie bezüglich ihrer Energiedichte weiter optimiert werden kann, wobei bewusst (verträgliche) Abstriche in der Leistung in Kauf genommen werden. Hierbei soll erörtert werden, ob sich eine solche energieoptimierte Lithium-Ionen-Zelle mittelfristig gegenüber zukünftigen Batterietechnologien wird behaupten können.

BenchBatt beinhaltet einen theoretischen Teil, in welchem die Energieinhalte von heutigen und energieoptimierten LIB sowie die von AB-Technologien auf Material-, Elektroden- und Zellebene errechnet werden soll. Außerdem soll eine ausführlichen Kosten- und Ressourcenanalyse der konkurrierenden Batterietechnologien erfolgen. Im Rahmen der Kostenbetrachtung wird auch ein Werkzeug zur Bewertung der Lebenszykluskosten von LIB und AB entwickelt.

Des Weiteren enthält das Projekt einen experimentellen Teil, in welchem eine Validierung der jeweiligen Technologien auf Material-, Prozess- und Zellebene erfolgt. Zahlreiche etablierte und sich noch in der Entwicklung befindlichen Aktivmaterialien (inkl. metallisches Lithium und Silicium-Kohlenstoff-Komposite als Anoden sowie Lithium-reiche Schichtoxide und Hochvoltspinelloxide als Kathoden) sollen einander gegenübergestellt werden. Neben der Materialwahl soll der Einfluss unterschiedlicher Elektrodeneigenschaften (Schichtdicke, Porosität bzw. Verdichtungsgrad, Leitrußgehalt) sowie des gewählten Zelldesigns auf die Energiedichte, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der resultierenden Batterie erfolgen. Für die AB soll eine Validierung der Schwefel-Kathode für Lithium-Schwefel - sowie der Gasdiffusionselektrode für Lithium-Luft-Systeme durchgeführt werden.

Für eine maximale Lebensdauer der resultierenden Batterietechnologie soll eine Optimierung der verwendeten Zellkomponenten erfolgen. Dies betrifft insbesondere die Wahl des Elektrolytsystems (Lösungsmittel, Leitsalz und Additive), welches auf die jeweiligen Aktivmaterialien abgestimmt werden muss.

Die Ergebnisse von BenchBatt sollen eine frühzeitige, realistische und wissenschaftlich fundierte Einschätzung der zukünftigen Konkurrenzfähigkeit der Technologien der nächsten Generation, u. a. hinsichtlich ihrer Energiedichte, Kosteneffizienz und Ressourcenverfügbarkeit, ermöglichen. Somit leistet das Projekt eine wichtige Hilfestellung zur Beantwortung der Frage, auf welche Batterietechnologie sich industrielle und universitäre Forschungsanstrengungen in naher Zukunft fokussieren sollten, um dem Ziel leistungsfähiger, kostengünstiger und langlebiger elektrochemischer Hochenergieenergiespeicher weiter näher zu kommen.