Materialien und Komponenten für Batterien mit hoher Energiedichte

Das übergreifende Ziel des Verbundvorhabens MEET Hi-EnD war, einen klaren Fortschritt auf dem Weg zur nächsten Generation von Lithium-Batterien mit deutlich erhöhter Energiedichte zu erreichen. Dazu wurde bewusst der Fokus auf die Auswahl und Entwicklung neuer, besonders aussichtsreicher Materialkombinationen aus Elektrolyt-Elektrode-Systemen gelegt.

Charakteristisch für dieses Konzept ist, dass die Ergebnisse bereits für die Verbesserung der Energieinhalte aktueller Zellkonzepte verwendbar sein werden und so frühzeitig in eine Verwertungsphase kommen können. Andererseits sind die ausgewählten Entwicklungsschritte notwendige Voraussetzungen auf dem noch langen Weg in Richtung auf Lithium-Luft- und Lithium-Schwefel-Zellen, sodass sowohl die mittelfristige, als auch die langfristige Zellentwicklung abgedeckt wird.

Die Verbundstruktur beinhaltet neben der konzentrierten Materialentwicklung weitere Arbeitsschwerpunkte in den Bereichen Materialanalytik, Zellbau, Batterietest, Simulation und Analyse der Batteriealterung. Hinzu kommen in enger Verzahnung mit den Entwicklungsarbeiten eine begleitende wissenschaftliche Analyse der Wertschöpfungskette vom Batteriematerial bis hin zu Batteriemodulen, der Optimierungsmöglichkeiten beim Wissenstransfer innerhalb des Verbunds und über den Verbund hinaus in der Zusammenarbeit mit Zellherstellern und Batterieanwendern. In diesem Zusammenhang ist folgerichtig auch eine internationale Kooperation mit einer japanischen Partneruniversität im Verbund integriert, die durch den engen Austausch der sich hervorragend ergänzenden Erfahrungen Fortschritte bei der Entwicklung von Lithium-Luft-Zellen ermöglicht.

Die Arbeiten im Verbund sind in vier sogenannte Wing-Zentren organisiert. Wing I konzentriert sich auf Materialentwicklung und wird von Instituten des FZ Jülich und der WWU Münster getragen. Themenbereiche sind:

a) Entwicklung sicherer Lithium-Metallanoden und reversible Lithiumabscheidung,

b) Neue Hybrid-Elektrolyte aus Ils und Polymeren und Coatings für Anoden und Kathoden hoher Energiedichte in Lithium-Batterien,

c) Festelektrolyte und Fest/Polymer-Hybridkonzepte als sichere Elektrolyte für Anoden und Kathoden mit erhöhter Energiedichte und

d) strukturierte Oxidkathoden hoher Energiedichten auf Basis von Vanadium- und Manganoxiden in Kombination mit neuen, sicheren Elektrolyten.

In Wing II arbeiten Institute der RWTH Aachen und des FZ Jülich an drei Themenbereichen:

a) realitätsnahe Zyklisierung und Betriebs-Simulation von Vollzellen inklusive Alterungseffekten, mit 1D- auf 3D-Modellen,

b) Parametrisierung wesentlicher Zellmaterialien und Zellkonfigurationen mit Ziel der Langzeitvorhersage optimaler Betriebsbedingungen und

c) In-situ-Nanoanalytik und Korrelation Nanostruktur/Zellfunktion unter Einschluss von TEM-Methoden.

In Wing III arbeiten Institute der RWTH Aachen, der WWU Münster und des HIU Ulm an Arbeitspaketen zu

a) Zellherstellung: Realisierung/Entwicklung von Zellkonzepten mit neuen Materialkombinationen,

b) Analyse von Alterungsphänomenen, Rolle von Additiven und Kriterien für erhöhte Lebensdauer, sowie

c) Analyse von Wissenstransfer, Industriekonvergenz, Rohstoffversorgung und Verwertungsstrategien in der Batterieforschung, effiziente Wertschöpfungsketten.

Der vierte Bereich Wing IV wird getragen vom FZ Jülich, dem KIT in Karlsruhe, der WWU Münster und dem Kooperationspartner an der Mie-University in Japan und betrifft ein aussichtsreiches Konzept für Lithium-Luft-Zellen mit Multischicht-Elektrolytsystem, das eine Sauerstoff-Elektrode in alkalischem Flüssigelektrolyt mit einer festelektrolyt-geschützten Lithiummetall-Anode kombiniert.

Der Verbund MEET Hi-EnD vereint die gezielte elektrochemische Entwicklung von Hochenergie-Batterien und entsprechenden Batteriekomponenten mit wissenschaftlicher Fachkompetenz. Zudem strebt MEET Hi-EnD die gezielte Übertragung von Erkenntnissen, Konzepten und Laborprozessen aus und während der Entwicklung in die industrielle Praxis an. Des Weiteren steht die Patentierung der interdisziplinären Forschungs- und Entwicklungsergebnisse im Fokus.

Während der Antragslaufzeit werden neue Ergebnisse gezielt zu Schutzrechtsanmeldungen geführt. Darüber hinaus werden die umfangreichen neuen wissenschaftlichen Erkenntnisse und Materialdaten nach Prüfung auf Schutzrechtsanmeldung in wissenschaftlichen Publikationen der Öffentlichkeit zugänglich gemacht.

Es wird während der Laufzeit und nach Ende der Förderung dafür gesorgt, dass sich ein technischer Erfolg durch Übernahme von Ergebnissen bei industriellen Partnern in ihren Produkten realisieren lässt. Die sehr gute Abstimmung unter den Projektpartnern wird sicherstellen, dass Ergebnisse in die weitere, gezielte Entwicklung und Optimierung von Elektroden, Elektrolyten, Separatoren, Halbzellen und kompletten Zellen einfließen, was unter anderem durch Fortsetzungsprojekte unter maßgeblicher Industriebeteiligung angestrebt wird.