Stercom Power Solutions GmbH

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Referat 523: Werkstoffinnovationen, Batterie; Hereon, KIT

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Referat T15: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für­ Forschung, Technologie und Raumfahrt Referat T15: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für­ Forschung, Technologie und Raumfahrt

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Das Verbundvorhaben LiMeS beschäftigt sich mit der Entwicklung einer leichten Lithium-Schwefel-Batterie für den Einsatz in der Luftfahrt. Dafür werden von den Verbundpartnern grundlegende Fragestellungen hinsichtlich der Lithium-Metall-Anode, der Schwefel-Kathode, des Elektrolytsystems und der Systemkonzeption betrachtet.

Das Verbundprojekt beschäftigt sich mit einer ganzheitlichen Betrachtung von Lithium-Schwefel-Batterien. So werden Anode, Kathode, Elektrolyt sowie das Gesamtsystem untersucht.
Für die Herstellung von sehr dünnen Lithium-Schichten auf (strukturierten) Substraten soll eine kontinuierliche, galvanische Abscheidung entwickelt und aufgebaut werden. Die Abscheidung von Lithium in beliebigen Schichtdicken ermöglicht eine genaue Balancierung der Anode hinsichtlich der Kapazität der eingesetzten Kathode. Damit werden Gewicht und Kosten eingespart und das Sicherheitsrisiko minimiert.
Dem gegenüber soll eine hochleistungsfähige Schwefel-Kathode entwickelt werden, welche vor allem durch eine angepasste Struktur hohe Ströme tolerieren und somit den Einsatz in der Luftfahrt ermöglichen soll. Durch den Einsatz komplexer Kohlenstoff-Schwefel-Strukturen werden technologische Herausforderungen überwunden. Gleichzeitig wird prozesstechnisch validiert, ob die gewählte Verfahrensroute wirtschaftlich aussichtsreich ist.
Das Elektrolytsystem spielt in der betrachteten Batterie hinsichtlich des Lithium-Metalls und des Schwefels eine entscheidende Rolle. So werden Konzepte mit flüssigen und festen Elektrolyten untersucht, um für die Anwendung das beste (Hybrid-)System herstellen zu können. Feste Elektrolytschichten auf dem Lithium in Kombination mit flüssigem Elektrolyt in der Kathodenschicht ermöglichen gänzlich neue Strukturkonzepte der Zelle, so entsteht ein gravimetrisch signifikanter Vorteil.
Ergänzt wird das Vorhaben durch die Betrachtung der Komponenten auf Systemebene, wodurch eine direkte Beurteilung der Auswirkung der Komponentenentwicklung auf die Systemleistungseigenschaften ermöglicht wird. Anhand von realen Systemen werden ermittelte Leistungsdaten mit modellierten abgeglichen, um für das Metall-Schwefel-System valide Voraussagen für den späteren Betrieb treffen zu können.

Durch die enge Zusammenarbeit mit den industriellen Partnern werden die anvisierten Entwicklungen stark gefördert. Deren Innovationskraft und wirtschaftliche Motivation wird die Entwicklungsrichtung der Forschungseinrichtungen klar definieren. Mit der Koordination durch Airbus können die Anforderungen an die Batterie eindeutig benannt und angepasst werden. Damit kann zum Abschluss des Projektes eine valide technologische Bilanz gezogen werden, mit welcher die Ergebnisse des Vorhabens bewertet und aussichtsreiche Pfade weitergeführt werden können. Damit wird das Projekt LiMeS einen wesentlichen Beitrag für die Qualifizierung von Batterietechnologien und deren Einsatz in der Luftfahrt leisten.

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Leichtes Lithium-Metall-Schwefel-Batteriesystem auf Basis strukturierter Hybrid-Elektroden-Konzepte für Anwendungen in der Luftfahrt

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Airbus Defence and Space GmbH

Marketing

Bislang basieren die meisten Batteriesysteme für mobile Anwendungen entweder auf der Lithium-Polymer-Technologie oder auf der Lithium-Ionen-Technologie. Diese Technologien erfüllen zwar ein breites Anforderungsspektrum (in den meisten Fällen gemäß den Anforderungen für automobile Anwendungen, also für volumetrische Kennzahlen), jedoch erfüllen sie nicht die hohen Leistungsanforderungen für Luftfahrtanwendungen (gravimetrische Kennzahlen).
Mit der Lithium-Schwefel-Technologie könnten diese Leistungsanforderungen grundsätzlich erfüllt werden. Damit ein entsprechendes Batteriesystem aber auch aus operationeller Sicht interessant wird, müssen deutliche Nachteile dieser Technologie beseitigt werden. Das bedeutet konkret, dass Lithium-Schwefel-Batterien bei geringstem Gewicht auf höchste Energiedichte, höchste Leistungsdichte und höchsten Wirkungsgrad ausgelegt werden müssen, und gleichzeitig auf hohe Zyklenfestigkeit, lange Lebensdauer und absolute Sicherheit.

Bisher wird in dieser Hinsicht ein zu geringer Entwicklungsaufwand betrieben. Darüber hinaus sollte die Entwicklung nicht auf Batterie-Zell- oder Batterie-System-Ebene beschränkt, sondern konsequent im Kontext des Gesamtflugzeuges vorangetrieben werden. Also unter Berücksichtigung des Flug-Missions-Profils, der Antriebs-System-Architektur und der Energie-Management-Strategie des Flugzeuges.

Das Teilprojekt verfolgt im Wesentlichen drei Ziele:
Erstens die Koordination des Gesamtvorhabens LiMeS. Zweitens die Spezifikation von Anforderungen an das Batteriesystem, das im Rahmen von LiMeS entwickelt werden soll. Drittens die Bewertung des resultierenden Batteriesystems im Vergleich zu den spezifizierten Anforderungen, also im direkten Bezug zum Gesamtflugzeug

Dabei werden drei wissenschaftliche bzw. technische Arbeitsziele anvisiert:
Erstens die Entwicklung von Batteriesystemen für elektrische Flugantriebe in unterschiedlichen Leistungsklassen (<500kW / <1MW / >1MW).

Zweitens die Erfüllung höchster Anforderungen an Energiedichte, Leistungsdichte, Wirkungsgrad, Zyklenfestigkeit, Lebensdauer und Sicherheit (bei angemessenem Lade-/Entladestrom).

Drittens eine Gewichtsreduktion von Energiespeichern für potentielle zukünftige Produkte in der kommerziellen Luftfahrt.

Aus wirtschaftlicher Sicht können die Ergebnisse von LiMeS bzw. ABseFa kurz- bis mittelfristig (2-3 Jahre nach Projektende) für Technologie-Demonstratoren (Bodendemonstratoren oder Flugdemonstratoren) und mittel- bis langfristig (2025 bis 2035) für potentielle zukünftige Produkte der kommerziellen Luftfahrt (Autonumous Commercial Drones, Urban Air Mobility, Regional/Short Range Aircraft) oder für Sekundäranwendungen (stationäre Energiespeicher für Off-Shore-Windkraftanlagen) verwendet werden.
Das Ergebnis des Gesamtvorhabens LiMeS würde die wissenschaftlich-technischen Grundlagen für ein Batteriesystem mit möglichst geringem Gewicht schaffen. Um sicherzustellen, dass diese Grundlagen später auch wirtschaftliche Relevanz haben werden, wird über das Teilvorhaben ABseFa von Beginn an ein direkter Bezug zu den Anforderungen des Gesamtflugzeugs hergestellt. Daher sind die wirtschaftlichen Erfolgsaussichten des Projektes als sehr hoch einzustufen.

Das Teilprojekt ABseFa ist direkt in die Entwicklungsaktivitäten des Airbus E-Aircraft Systems Programms eingebunden. Insofern ist sichergestellt, dass sowohl die Spezifikation von Anforderungen an das Batteriesystem, das im Rahmen von LiMeS entwickelt werden soll, als auch die Bewertung des resultierenden Batteriesystems im Vergleich zu den spezifizierten Anforderungen, also im direkten Bezug zum Gesamtflugzeug, den bei Airbus üblichen Standards entsprechen wird.
Die eigentliche Entwicklung des Batteriesystems erfolgt in enger Abstimmung mit dem Partner-Konsortium des Gesamtvorhabens, das von Airbus koordiniert wird. Daher sind die wissenschaftlich-technischen Erfolgsaussichten des Projektes als sehr hoch einzustufen.

Anforderungen an Batteriesysteme für elektrische Flugantriebe

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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]

Das Ziel des Teilprojekts am Projekt LiMeS ist die Entwicklung und der Aufbau von Umhausungen, Gasreinigung und Filtertechnik zur Sicherstellung der relevanten Umwelt- und Sicherheitsanforderungen für Produktionsanlagen zur Verarbeitung von Materialien für Energierspeichersysteme.

•	Entwicklung geeigneter Atmosphären für die Verarbeitung und Handhabung von Festkörper-Batterie-Werkstoffen sowie Festlegung der Gaszusammensetzung
•	Design eines Glovebox-Containments mit optimierter Schutzgasatmosphäre für die galvanische Abscheidung von Metallen

•	Auslegung einer Gasreinigung zur Erzeugung der Atmosphäre für die Glovebox

•	Auswahl geeigneter Sensoren zur Überwachung der Atmosphärenbedingungen

•	Auslegung der grundlegender Geometrien und der HMIs (Human-Machine-Interfaces) nach ergonomischen Gesichtspunkten

•	Erstellung eines Sicherheitskonzept für Maschinen & Geräte in der Glovebox

•	Entwicklung geeigneter Vakuumschleusen mit Transfertechnik

Die erwarteten Ergebnisse des Forschungsprojekts sind unter anderem eine verbesserte Kenntnis der atmosphärischen Anforderungen der empfindlichen Materialien im Bereich der galvanischen Abscheidung sowie der Umgang mit neuartigen Handhabungssystemen im Hinblick auf zukünftige Batteriearchitekturen. Dadurch wird es in Zukunft möglich sein, die Sektoren der Batterie-Forschung und die Herstellung von Festkörperbatteriesystemen mit hoch entwickelten und wirtschaftlichen Anlagen beliefern zu können.

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GS Glovebox Systemtechnik GmbH

Sonderglovebox für Galvanische Lithiumabscheidung

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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.

Wissenschaftskommunikation

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Pressekommunikation

Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Das Gesamtziel des LiMeS-Verbundprojekts besteht in der Entwicklung eines leichten Lithium-Metall-Schwefel-basierten Batteriesystems für Anwendungen in der Luftfahrt. Dazu soll die Entwicklung und Optimierung von Zellkomponenten hinsichtlich der anwendungsspezifischen Anforderungen vorangebracht und im Rahmen des Teilprojektes mithilfe eines geeigneten mathematischen Modells unterstützt werden. Ziel ist es, den Einfluss verschiedener Design-Größen auf das Betriebsverhalten der Lithium-Schwefel-Batteriezelle zu beschreiben und konkrete Entwicklungsziele zur Verbesserung des Zelldesigns abzuleiten. Weiterhin sollen Abhängigkeiten zwischen dem Zelldesign und der Gestaltung des Batteriesystems im Kontext der Anforderungen aufgezeigt und durch den Funktionsnachweis an einem Demonstrator getestet werden.
Den direkten Rückschluss von Design-Parametern auf die zugrundeliegenden Prozesse innerhalb der Batteriezelle liefern physikalisch-chemisch motivierte Modelle auf Grundlage von Massen- und Energiebilanzen. Diese können bezüglich ihrer Komplexität zum einen in Bezug auf die örtliche Auflösung und zum anderen in Bezug auf die abgebildeten Reaktionen und Prozesse unterschieden werden. Die einfachsten Modelle sind nulldimensional (0D) und betrachten die verschiedenen Bereiche der Zelle zusammengefasst. Darüber hinaus existieren ein- und mehrdimensionale Modelle (1D, P2D), mit denen in Sandwich-Richtung die lokalen Konzentrationsfelder der beteiligten Spezies sowie die Potentialfelder entlang des Zellquerschnitts berücksichtigt werden können. Neben der örtlichen Auflösung muss im Rahmen der Modellbildung festgelegt werden, welche auftretenden Reaktionen und Prozesse abgebildet werden, um das Betriebsverhalten adäquat nachzubilden. Dies betrifft insbesondere die elektrochemischen Reaktionen, die unmittelbar auf das elektrische Verhalten wirken. Auch finden Nebenreaktionen, wie Degradation und das sog. Shuttle-Phänomen, statt, die sich auf die nutzbare Kapazität sowie die Selbstentladung auswirken und zur Korrosion der Lithium-Anode führen. Allerdings sind die thermodynamischen Eigenschaften der beteiligten Prozesse und Spezies noch nicht vollständig verstanden, was in den bekannten Modellen zu einer großen Anzahl an unbekannten Parametern führt und die physikochemische Modellentwicklung erschwert.

Ausgehend vom Zielkonflikt zwischen unterschiedlichen Modellierungsansätzen, der Parametrisierungsgüte sowie dem Berechnungsaufwand soll im Rahmen des vorliegenden Teilprojekts ein geeignetes Zellmodell formuliert werden, welches den Anforderungen der ausgewählten Luftfahrtanwendungen gerecht wird. Dazu werden die physikalisch-chemischen Zellmodelle aus der Literatur zugrunde gelegt und zielgerichtet deren relevante Prozesse analysiert und abgebildet. Großer Wert wird auf eine möglichst begrenzte Anzahl an unbekannten Parametern gelegt, die anhand von elektrischen Performancedaten und anderen analytischen Verfahren an Referenzzellen bestimmt werden. Zur Parameterbestimmung wird auf numerische Optimierungsalgorithmen zurückgegriffen, die je nach Grad der Nichtlinearität und Güte der Schätzwerte für die Lösung gradientenbasiert oder evolutionär sein können.
Durch die Ermittlung von optimierten Designparametern wird die Zellentwicklung über die Projektlaufzeit iterativ begleitet und mithilfe gezielter Parameterstudien unterstützt. Das parametrisierte Zellmodell soll darüber hinaus verwendet werden, um das Betriebsverhalten eines Batteriesystems abzubilden und dessen Betriebsgrenzen abzuleiten. Der systematische Transfer zwischen einer einzelnen Zelle und dem ganzen Batteriesystem erfolgte bisher ausschließlich für Lithium-Ionen-Zellen und stellt für die Lithium-Schwefel-Technologie einen neuartigen Ansatz dar, dem im Rahmen dieses Teilprojekts eine übergeordnete Rolle zukommt.

Auf Basis des vorliegenden Systemmodells wird in Zusammenarbeit mit der Stercom Power Solutions GmbH ein Batteriemodul als Demonstrator entwickelt, aufgebaut und einem umfangreichen Funktionstest entsprechend der Anforderungen aus der Luftfahrt unterzogen. Bei der Gestaltung des Demonstrators muss auch ein Batteriemanagement-System berücksichtigt werden, das den Ladezustand (State of Charge, SoC) und den Alterungszustand (State of Health, SoH) bestimmt und einbezieht. Im Bereich der Lithium-Ionen-Batterien ist es üblich, zu diesen Zwecken basierend auf der aktuellen Spannungslage auf den Ladzustand zu schließen, was aufgrund er abweichenden Spannungscharakteristik beim Laden und Entladen nicht unmittelbar auf Lithium-Schwefel-Batterien übertragbar ist. Deshalb werden vermehrt Verfahren, wie der Kalman-Filter oder Neuronale Netzwerke zur Zustandsschätzung verwendet, mit denen das Verhalten der Batteriezellen bei elektrischer und thermischer Belastung quantifiziert werden soll, um eine Einschätzung für den Einsatz von Lithium-Schwefel-Batterien in Flugzeugen zu ermöglichen.

Da Lithium-Schwefel-Batterien bereits heute für Spezialanwendungen kommerziell vertrieben werden, lassen sich die im LiMeS-Projekt geplanten Verbesserungen der Technologie (Li-Anode, Elektrolytkonzepte, Kathodendesign) durch Kooperation mit Zellherstellern wirtschaftlich verwerten.
Darüber hinaus können alle Projektergebnisse auf Komponenten- und Systemebene kurzfristig (>3 Jahre) auf andere Speichertechnologien und Industriebereiche überführt werden, womit sie divers weiterverwendet werden können. Langfristig (> 10 Jahre) stützt das Projekt den Batterieeinsatz in der Luftfahrt, treibt die Ziele der Europäischen Kommission (FLIGHTPATH 2050) voran und führt mit seiner energetischen und sicherheitstechnischen Bewertung zu kommerziellen Potentialen für deutsche Anlagen- und Zellhersteller.

Die verwendete Methodik zur modelltheoretischen Auslegung und Entwicklung eines auf einen spezifischen Anwendungsfall aus der Luftfahrt zugeschnittenen Batteriesystems kann zukünftig auch auf anderen Zelltechnologien übertragen werden. Im Allgemeinen werden Modelle bisher verwendet, um das physikalische Verhalten von Batterien abzubilden, nicht jedoch darüber hinaus zur Ableitung und Optimierung von Designkonzepten benutzt. Der iterative Ansatz das Modell eines Lithium-Metall-Schwefel-Systems direkt zu verwenden, um ausgehend von der Anwendung Rückschlüsse auf das Zelldesign zu ziehen, ermöglicht eine präzisere Ermittlung von Systemparametern und ist neu in der Literatur. Insbesondere der kurz- bis mittelfristige Aufbau weiterer Technologie-Demonstratoren für potentielle Produkte lässt sich mit diesem Entwicklungsansatz unterstützen und vereinfachen. Damit leistet das LiMeS-Projekt einen wesentlichen Beitrag für die Qualifizierung von Batterietechnologien und deren Einsatz in der Luftfahrt.

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Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover

Kommunikation und Marketing

Fachgebiet Elektrische Energiespeichersysteme

Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energiespeichersysteme

Institut für Elektrische Energiesysteme

Herr Prof. Dr. Richard Hanke-Rauschenbach

Prof. Dr.

Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig

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Technische Universität Braunschweig

Stabsstelle Presse und Kommunikation

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Battery LabFactory Braunschweig

Technische Universität Braunschweig Braunschweiger LabFactories for Batteries and more Battery LabFactory Braunschweig

Braunschweiger LabFactories for Batteries and more

Herr Prof. Dr. Arno Kwade

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Institut für Partikeltechnik

Technische Universität Braunschweig Institut für Partikeltechnik

In diesem Teilprojekt werden gewebte, gewichts- und funktionsoptimierte Strukturen zum Einsatz als Ableiterstruktur sowohl für die Lithium-Anode, als auch für die Schwefel Kathode, entwickelt und herstellt. Eine Vielzahl unterschiedlicher Gewebetypen soll hier-bei erforscht werden. Etwa Gewebestrukturen aus Polymeren die durch spezielle Oberflächenmodifikationen (z.B. Karbonisieren) leitfähig gemacht werden sollen. Aber auch Metallgewebe sowie die Kombination von Metall und Kunststoff in sogenannten Hybrid-Geweben sollen hergestellt und auf ihre Eignung untersucht werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit bereits existierende Gewebetypen einzusetzen und/oder diese so zu modifizieren, dass sie den Bedürfnissen als Ableitungsstrukturen optimal angepasst werden.

Strukturierte Stromableiter-Materialien werden schon seit geraumer Zeit untersucht, um eine Gewichtsreduktion gegenüber standardmäßig eingesetzten Folien, sowie eine Leistungssteigerung zu erreichen. Es ist hierbei zu untersuchen, welchen Einfluss die Struktur des Stromableiters auf die Leistungsdaten der Batterie hat. Im Zuge dessen können die gewebten Strukturen dann auf die entsprechenden Anforderungen hin abgestimmt werden.

Aus dem Projekt erhofft sich GKD vor allem eine fundierte Aussage darüber, wie strukturierte Ableitermaterialien geometrisch und materiell zu gestalten sind, um möglichst performante Zellen herzustellen. Besonders im Hinblick auf die Mobilitätssparte ist hier auch die erhoffte Gewichtsersparnis wichtig.

Duration	01/03/2019 - 31/08/2022
Executing unit	Stercom
City	Weyarn
Amount of funding	39.854,00 €
Total budget	no information
Sponsor	BMFTR

Airbus Defence and Space GmbH

GS Glovebox Systemtechnik GmbH

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Fachgebiet Elektrische Energiespeichersysteme

Battery LabFactory Braunschweig

GKD – Gebr. Kufferath AG