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Breyer GmbH Maschinenfabrik

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Referat 525: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt Referat 525: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt

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Ziel dieses Projekts ist es, Kosten und Umweltfreundlichkeit von Lithium-Ionen-Zellen mit hoher Energiedichte deutlich zu verbessern ohne dadurch die Performance zu beeinträchtigen. Erreicht werden soll dies durch die Erarbeitung eines lösungsmittelfreien Herstellungsprozesses von Hochenergie-Kathoden. Die trocken hergestellten Elektroden sollen universell verarbeitbar und damit auch wickelbar sein. Dies soll in dem zukunftsweisenden Format 21700 nachgewiesen und bezüglich möglicher Endanwendungen evaluiert werden.
Das nickelreiche Schichtoxid NCM 622 gilt derzeit als optimales Kathodenmaterial zur Herstellung von Hochenergie-Kathoden für den Einsatz in Elektrofahrzeugen. Der Großteil der Forschung und Entwicklung für die Elektromobilität fokussiert sich kathodenseitig auf dieses Material. Während geeignete Anoden in einem wasserbasierten Prozess hergestellt werden können, ist die Ver-arbeitung von NCM 622 in Wasser nicht möglich. Hier werden große Mengen des teuren, gesundheits- und umweltschädlichen organischen Lösungsmittels N-Methyl-pryrrolidon (NMP) eingesetzt, das in einem aufwendigen und teuren Trocknungsprozess wieder entfernt werden muss.

Das Projektmanagement und die Spezifikation des Verbundprojektes, die Erforschung der Granulation für die trockene Extrusion und die Evaluierung der Pilotelektroden und des Elektrodenbalancing in 21700-Zellen sowie die Herstellung und Testing der  21700-Zellen erfolgt durch die Varta Microbattery GmbH. Die Erforschung der trockenen Elektrodenherstellung im Labormaßstab, der Prozess-Eigenschaftsbeziehungen in Halb- und Vollzellen sowie das Testing von Vollzellen erfolgt durch das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW). Die Breyer GmbH übernimmt die Erforschung der Granulation für die trockene Extrusion.

Das Projekt erarbeitet mit einem Zeithorizont von drei Jahren die Vorbereitungen zur Umsetzung in einen hochskalierten Prozess. Die gewonnenen Erkenntnisse können prinzipiell auch auf neue Materialien übertragen werden. Das Verständnis der Prozesse wird einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Kosteneffizienz leisten. Der Lösungsansatz, die Elektroden bis hin zu ihrer Verarbeitbarkeit zu industrierelevanten Formaten zu evaluieren, erhöht die Einschätzbarkeit der neuen Technologie.
Wenn die Ziele des Projekts realisiert werden können, ist zum Projektende die Demonstration von Lithium-Ionen-Zellen mit sehr hoher Energiedichte und dennoch guter Leistung und hoher Sicherheit aus einem sehr kostengünstigen Prozess in dem zukunftsweisenden sehr breit einsetzbaren Format 21700 zu erwarten. Umfangreiche Kenntnisse über den Herstellungsprozess werden vorliegen. Ein innovativer und flexibler Extrusionsprozess ermöglicht dem  Produktionsstandort Deutschland einen signifikanten Vorteil, um die Wettbewerbsfähigkeit in diesem Mark zu stärken. Die Aussicht auf eine Technologieführerschaft kann einen Motivationsschub für die bisher fehlende Massenproduktion von Lithium-Ionen-Zellen in Deutschland bewirken.

Trocken präparierte Hochenergie-Kathoden durch Extrusion in gewickelten Vollzellen

Herr Dr. Martin Krebs

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VARTA Microbattery GmbH

Herr Dr. Nicolas Bucher

Im ersten Schritt sollen Granulate erforscht werden, die eine sehr hohe Verdichtung aufweisen. Dazu werden die Garnulationsparameter konsequent erforscht und der Kompaktierungsgrad bestimmt.
Allerdings müssen diese Granulate bei der Extrusion eine homogene Elektrodenschicht ergeben, die fest miteinander und dem Ableiter verhaftet ist. Ferner muss sie bis zu kleinen Radien flexibel sein, um daraus Wickelzellen herstellen zu können. Das wird durch Variation der Rezepturen und der Extrusionsparameter angestrebt

Bisher wurden nach Kenntnis des Antragstellers keine Versuche zum Wickeln extrudierter Elektrodenfolien im industriellen Maßstab durchgeführt. Hier betreten wir also Neuland, verbunden mit allen Unwägbarkeiten, die damit verbunden sind. Um das Wickeln extrudierter Elektrodenfolien im industriellen Maßstab zu ermöglichen wird die Granulation für die trockene Extrusion erforscht, die Pilotelektroden evaluiert und das Herstellen, das Testing und die Elektrodenbalancierung von 21700-Zellen erprobt.

Das Thema stationäre Energiespeicherung gewinnt durch den schnellen Ausbau der Erneuerbaren Energien zunehmend an Bedeutung. Schon heute werden allein in Deutschland pro Jahr mehrere Tausend Speichersysteme verkauft. Verschiedene Studien gehen davon aus, dass der Markt für stationäre Energiespeicherung im Jahr 2020 ein Volumen von 2,4 Mrd. € erreicht, wovon etwa 40% auf Systeme mit Lithium-Ionen-Zellen entfallen. Vielen Vorteilen von heutigen Batteriespeichersystemen wie Modularität und Effizienz stehen nachteilig hohe Anschaffungskosten gegenüber, welche maßgeblich von den Zellpreisen beeinflusst sind. Durch Anwendung des Second-Life Konzeptes bei Lithium-Ionen-Zellen ist mit einer Reduzierung der Systemkosten zu rechnen, was die Wirtschaftlichkeit von Energiespeichern verbessert und deren Vermarktung weiter vorantreibt. Bei Projekterfolg plant VARTA Storage daher die Erkenntnisse aus dem Projekt in Serienprodukte einzubringen. Von steigenden Stückzahlen profitiert nicht nur der Systemhersteller VARTA Storage, sondern auch die Material- und Zellhersteller entlang der Wertschöpfungskette. Durch die damit verbundene Schaffung neuer Arbeitsplätze wird Deutschlands Position als Produktions- und Wirtschaftsstandort gestärkt.

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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]

Lithium-Ionen-Batterien werden seit ihrer Markteinführung in den Neunzigerjahren in vielen Anwendungen eingesetzt. Außer in Laptops, Tablets, Mobiltelefonen und medizinischen Geräten sind sie inzwischen auch in Power Tools und stationären Speichern zu finden und gewinnen dort zunehmend an Bedeutung. Außerdem gelten sie als Schlüsselkomponente für die Elektromobilität, einem zentralen Baustein für die Energiewende in Deutschland. Lithium-Ionen-Zellen werden bisher hauptsächlich in Asien hergestellt. Um an ihrem prognostizierten enormen Wachstumsmarkt teilhaben zu können, müssen deutsche Hersteller wettbewerbsfähige Produkte anbieten. Gefragt sind hohe Energiedichten, lange Lebensdauern und ein niedriger Preis. In diesem Projekt soll ein innovativer Herstellungsprozesses erforscht werden, durch den die Kosten und Umweltfreundlichkeit von Lithium-Ionen-Zellen mit hoher Energiedichte deutlich verbessert werden. 
Zur Realisierung hoher Energiedichten ist eine möglichst hohe Flächenbeladung der Elektroden mit Aktivmaterial wünschenswert. Dies vermindert auch die Kosten von Batteriezellen maßgeblich, indem Passivmaterial eingespart und der Gehäuseraum in erhöhtem Maß für die Aktivmasse genutzt wird. Die rissfrei präparierbare Beschichtungsdicke ist jedoch durch die spezifischen Eigenschaften des Lösungsmittels begrenzt. 

Nickel-Cobalt-Manganoxid (NCM 622) gilt derzeit als optimales verfügbares Kathodenmaterial zur Herstellung von Hochenergie-Kathoden für den Einsatz in Elektrofahrzeugen. Zur Verarbeitung dieses Materials werden große Mengen des teuren, gesundheits- und umweltschädlichen organischen Lösungsmittels N-Methyl-pryrrolidon (NMP) eingesetzt, das in einem aufwendigen und teuren Trocknungsprozess wieder entfernt werden muss. Dies verursacht bis zu 70 % der Elektrodenherstellungskosten und bis zu 15 % der Material- und Prozesskosten einer üblichen Zelle.

Beide Problemstellungen – die durch den Lösungsmitteleinsatz limitierte Flächenbeladung und die Kosten der Trocknung  – können durch eine lösungsmittelfreie Herstellung von Kathoden mit NCM 622 gelöst werden. Ziel des Projekts ist es, dazu einen Prozess zu erforschen, diesen hochzuskalieren und die Eignung dieses Prozesses in gewickelten 21700-Zellen nachzuweisen.

Im Projekt TROPEX soll ein lösungsmittelfreier Herstellungsprozess mittels Extrusion für Hochenergiekathoden mit sehr hohem Aktivmassegehalt und sehr hoher Flächenbelegung erarbeitet werden. In diesem Teilprojekt werden am ZSW Rezepturen und Prozessparameter im Labormaßstab erforscht.
Die Extrusion ermöglicht einen sehr effizienten kontinuierlichen Mischprozess, durch den deutlich verkürzte Mischzeiten und damit weitere Kostenvorteile gegenüber aktuell eingesetzten Prozessen zu erwarten sind. Der Verzicht auf Lösungsmittel und die gleichzeitige Optimierung der Energiedichte durch maximale Aktivmasseanteilen verringern aber die Fließfähigkeit der Materialien und damit ihre Verarbeitbarkeit im Extruder. Mit zunehmender Flächenbelegung und zunehmendem Aktivmassegehalt wird zusätzlich die Wickelbarkeit der Elektroden beeinträchtigt. Außerdem wird die Kinetik elektrochemischer Prozesse mit steigender Elektrodendicke limitiert, was zu einer geringeren Strombelastbarkeit der Elektroden führt. 

Diesen Herausforderungen soll einerseits durch die Forschung an innovativen Rezepturen sowie andererseits durch die Erarbeitung geeigneter Prozessparameter bei der Extrusion begegnet werden. Rezepturseitig soll aufgeklärt werden, welche Eigenschaften die einzelnen Materialien – Aktivmaterial, Binder und Additive – in einem lösungsmittelfreien Prozess aufweisen müssen und wie sie kombiniert werden müssen. Die Beurteilungskriterien erstrecken sich von der Verarbeitbarkeit der Komposite wie deren Fließfähigkeit unter den Bedingungen des Extrusionsprozesses bis hin zur elektrochemischen Performanz der Elektroden. Parallel dazu wird eine geeignete Prozessführung erforscht. 

Um einen industriell realistischen Prozess abzubilden, werden die dicken extrudierten Komposite in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess, der ebenfalls neu erforscht wird, auf einen Kollektor übertragen und kalibriert. Aus den so hergestellten Elektroden werden am ZSW gestapelte Pouchzellen und beim Projektpartner VARTA gewickelte Zellen im neuen, zukunftsweisenden Format 21700 hergestellt. Diese Prototyp-Zellen werden am ZSW anhand von elektrischen Tests und Sicherheitstests bewertet.

Ziel dieses Projekts ist die Erarbeitung eines vollständig lösungsmittelfreien Herstellungsprozesses für Batterieelektroden. Dadurch könnten etwa 1000 Tonnen des Lösungsmittels NMP pro hergestellter Gigawattstunde Zellenergie eingespart werden. Indem dazu die Extrusion als Verfahren eingesetzt wird, können Eletroden mit besonders hoher Energiedichte hergestellt werden und ein zusätzlicher Kostenvorteil durch kurze Mischzeiten erreicht werden. Insgesamt wird ein kontinuierlicher durchgehender Prozess von der Trockenextrusion über das Aufbringen des Extrudats in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf einen Kollektor bis zum Aufwickeln der fertigen Elektrode erarbeitet.
Am ZSW werden dazu die Rezepturen und Grundverfahren erforscht und den Projektpartnern mitgeteilt. Bei VMB werden für diese Rezepturen Granulationsprozesse erforscht, mit denen dann im Pilotmaßstab die Pulver zu Granulaten verarbeitet werden und Breyer für Extrusionsversuche zur Verfügung gestellt werden. Die Firma Breyer erforscht Möglichkeiten zur Hochskalierung der trockenen Elektrodenherstellung in einen Industrieprozess sowie erforderliche Maschinenkonzepte. Auf dieser Basis werden Erkenntnisse für die Entwicklung von Produktionsmaschinen für diesen innovativen Prozess gewonnen.

Die Elektroden aus diesem Projekt werden eine hohe Energiedichte und geringe Kosten aufweisen. Diese Eigenschaften werden in Lithium-Ionen-Vollzellen verschiedener Formaten übertragen und anhand von Tests nachgewiesen. Hohe Energiedichten und geringe Kosten sind essentielle Eigenschaften von Lithium-Ionen-Zellen für den Einsatz in Elektrofahrzeugen. Insbesondere niedrige Kosten erweitern den Einsatzbereich in weitere Felder wie Power Tools, stationäre Speicher und USVs.  

Dem ZSW dient das Projekt zur Erweiterung seiner Kompetenzen auf dem Gebiet der Herstellung von innovativen Lithium-Ionen-Zellen. Bei Industriepartnern können die Erkenntnisse durch Kooperationen mit dem ZSW in eine kommerzielle Nutzung einfließen.

Laufzeit	01.09.2019 - 31.12.2023
Ausführende Stelle	Breyer
Standort	Singen
Fördersumme	240.513,00 €
Projektvolumen	k. A.
Fördergeber	BMFTR

Projekt

Tropex

Trocken präparierte Hochenergie-Kathoden durch Extrusion in gewickelten Vollzellen

Projektbetreuung als

Breyer GmbH Maschinenfabrik

Breyer GmbH Maschinenfabrik

Förderung

Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Dieses Projekt ist Teil des Verbundprojekts

Tropex

Weitere Teilprojekte des Verbundvorhabens

Teilprojekt 1

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

VARTA Microbattery GmbH

Teilprojekt 3

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

Standort Ulm

Dieses Projekt ist Teil der Förderinitiative

Batterie 2020 (Transfer)

Teilprojektleitung

Breyer GmbH Maschinenfabrik

Teilprojektleiter*in

Verbundprojektkoordination

VARTA Microbattery GmbH

Verbundprojektkoordinator*in

Pressekontakt

Abschlussberichte und sonstige Veröffentlichungen in der TIB –Leibniz-Informationszentrum Technik und Naturwissenschaften und Universitätsbibliothek