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Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

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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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Die Motivation des TRANSITION Projektes ist es, einen zentralen Beitrag für eine nachhaltige Energiespeicherung in Deutschland zu leisten. Die Märkte für Elektromobilität und stationäre Energiespeicherung werden im Zuge der Energiewende deutlich wachsen und bedürfen energieeffizienter und leistungsstarker Speichertechnologien. Momentan werden Lithium-Ionen-Batterien (LIB) hier aufgrund ihrer Performance als vielversprechend eingestuft. Aktuell verfügbare LIB verwenden als Kernkomponenten ökologisch kritisch bewertete, knappe und teure Elemente. Es besteht dringende Notwendigkeit den zukünftigen Anforderungen nach Kosten, Verfügbarkeit und Performance gerecht zu werden.

Natrium-Ionen-Batterien (NIB) stellen durch die ubiquitäre Verfügbarkeit ihrer Rohstoffe bei gleichzeitig niedrigen Kosten eine vielversprechende Alternative und Ergänzung zur Lithium-Ionen-Technologie dar. In ihrer Leistungsstärke sind sie jeder anderen konventionellen aufladbaren Batterietechnologie (mit Ausnahme von LIB) überlegen. Ihr technisches Potenzial bietet zudem breite Entwicklungsperspektiven. Gesamtziel des Vorhabens TRANSITION ist die Entwicklung leistungsstarker NIB als eine alternative Technologie für eine kostengünstigere und umweltfreundlichere Elektromobilität und stationäre Energiespeicherung in Deutschland.

Das Vorhaben TRANSITION fokussiert die Entwicklung leistungsstarker NIB-Demonstratoren mit Flüssig- und Polymerelektrolyt und hat das Gesamtziel eine kostengünstige und umweltfreundliche Alternative und Ergänzung zur aktuell verfügbaren Technologie der Lithium-Ionen-Batterien in Deutschland bereitzustellen. Das TRANSITION-Projekt verfolgt einen praktisch-orientierten Lösungsansatz, um einen Transfer der NIB-Technologie in die Industrie sicherzustellen, den Wertschöpfungsanteil für den Wirtschaftsstandort Deutschland zu sichern, sowie Innovation und Wachstum der Industrie in Deutschland voranzubringen.

Wissenschaftliche und technische Arbeitsziele des Verbunds münden in dem übergeordneten Ziel des Vorhabens, durch die Entwicklung leistungsstarker NIB-Demonstratoren zukünftige Anwendungsbereiche in der Elektromobilität und stationären Energiespeicherung zu erschließen und darüber hinaus für die Industrie zugänglich zu machen. Die geplanten NIB-Demonstratoren werden unter Berücksichtigung von „Eco-Design“-Prinzipien im Sinne der Circular Economy Strategie der EU entwickelt, um eine nachhaltige und kostengünstige Batterietechnologie zu realisieren.

Die technischen Ziele sind:

1.)  Entwicklung technisch relevanter Aktivmaterialien/Elektrolyte
•  Negative Elektrode mit Aluminium-Kollektor: Kohlenstoff-basiertes Aktivmaterial für Demonstrator-Zellen unter Verwendung wässriger Binder und biologischer Abfälle als Ausgangsmaterialien.
•  Kobaltfreie Schichtoxide für die eine nachhaltige und ökonomisch zielführende positive Elektrode.
•  Elektrolyt: a) aprotischer Flüssigelektrolyt mit hoher Stabilität und Fähigkeit zum Ausbilden einer stabilen „solid electrolyte interphase“ (SEI); b) Polymerelektrolyt mit hoher Kompatibilität mit Schichtoxidkathoden und Natriummetall-Anoden.

2.)  Entwicklung leistungsstarker, umweltfreundlicher und kostengünstiger NIB-Demonstratoren: Die kontinuierlichen Optimierungszyklen (Material, Elektrolyt, Zelle) werden durch engen Abgleich der experimentellen Arbeiten begleitet und unterstützt.

Für die Erreichung der Ziele der Bundesregierung im Bereich der Elektromobilität, stationären Energiespeicherung, Energiewende und Klimaschutz ist es notwendig, innovative, leistungsstarke, umweltfreundliche und günstige Batterietechnologien zu erforschen. Das TRANSITION-Projekt dient der Erforschung einer solchen Alternativtechnologie und stärkt dadurch die internationale Wettbewerbsfähigkeit, Zukunftsperspektive und Technologieführerschaft Deutschlands auf dem Gebiet elektrochemischer Energiespeicher. Es besteht zudem ein enormes Markt- und Arbeitsplatzpotenzial, wenn NIB in mobilen und stationären Speichern verwendet werden können, da beide Märkte noch kaum ausgeschöpft sind und geringe Markteintrittsbarrieren für NIB bestehen.
Die Erkenntnisse des TRANSITION-Projektes stärken die deutsche Forschungslandschaft, da notwendiges Wissen für die Entwicklung von Batteriesystemen aufgebaut wird. Dieses Wissen ist auf die Weiterentwicklung von LIB übertragbar und notwendig, um an die Forschung an NIB in Asien aufzuschließen und liefert langfristig qualifizierte Nachwuchskräfte in Deutschland. Dies ist unter wirtschaftlichen Aspekten für die deutsche Industrie wichtig, um im Bereich der elektrochemischen Energiespeicherung konkurrenzfähig zu sein. Die enge Einbindung eines Industriebeirats richtet das Projekt auf wirtschaftliche Anschlussfähigkeit und eine Verwertung der entwickelten Materialien und NIB aus. In diesem Sinne bildet und bietet das TRANSITION-Projekt eine wichtige Schnittstelle zwischen Forschung und Industrie, um den Standort Deutschland wirtschaftlich und wissenschaftlich zu stärken.

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Natrium-Ionen-Batterie-Demonstratoren für mobile und stationäre Energiespeicher

Herr Prof. Dr. Stefano Passerini

Prof. Dr.

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Helmholtz-Institut Ulm

Marketing & Öffentlichkeitsarbeit

Herr Prof. Dr. Maximilian Fichtner

Frau Dr. Ivana Hasa

Entwicklung einer negativen Elektrode mit Aluminiumkollektor: Kohlenstoff-basierte Aktivmaterialien unter  Verwendung wässriger Binder und biologischer Abfälle als Ausgangsmaterial.
Das Hauptziel im Teilprojekt von HIU/KIT ist die Entwicklung von optimierten Anodenmaterialien für NIB mit Flüssig oder Polymerelektrolyt. Die nötigen Voraussetzungen dafür erfüllen insbesondere kohlenstoffbasierte Materialien, welche ausschließlich  wässrig prozessiert und in ihrer Zusammensetzung optimiert werden sollen. Die Auswahl der Materialien erfolgt dabei unter den Kriterien hohe elektrochemische Leistungsfähigkeit und industrielle Skalierbarkeit.
•	Entwicklung von Hard und Soft Carbons :

Hard und Soft Carbons werden im Labormaßstab hergestellt, strukturell untersucht und elektrochemisch getestet. Von besonderem Interesse ist dabei die Erhöhung der reversiblen Kapazität (≥ 350 mAh/g). Dazu sollen die Rolle von Heteroelementen auf die elektrochemische Leistungsfähigkeit sowie die Ursachen für Leistungsverluste beim Langzeitzyklisieren genau verstanden werden. Weiterhin sollen mittels Oberflächenmodifikation und weiterer chemischer/physikalischer Maßnahmen die initialen irreversiblen Verluste verringert werden. Als Edukte für die umweltfreundliche Herstellung leistungsstarker Hard Carbons werden auch biologische Ausgangsmaterialien und Abfälle eingesetzt werden. 

•	Hochskalierung von ausgewählten Anodenmaterialien:

Zeitgleich zur Charakterisierung im Labormaßstab werden alle Arbeiten analog im vorindustriellen Maßstab durchgeführt und auf Skalierbarkeit optimiert. Als Ausgangspunkt dienen Vorarbeiten mit einem bereits am HIU entwickelten Hard Carbon sowie einem kommerziellem Hard oder Soft Carbon. Die Materialien werden hinsichtlich ihrer strukturellen (Dichte, Klopfdichte, Partikelmorphologie, Porosität) und elektrochemischen (initiale irreversibler Kapazitätsverlust, reversible Kapazität, Ratenfestigkeit und Zyklenstabilität) Eigenschaften untersucht und optimiert.

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Großforschungsaufgaben, Campus Nord

Karlsruher Institut für Technologie Großforschungsaufgaben, Campus Nord

Karlsruher Institut für Technologie

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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]

Zentrale Aufgaben des Teilvorhabens sind Untersuchungen zum Alterungsverhalten der Zellen mittels spezieller Analytik sowie Verbesserungen im Zellverhalten durch Optimierung der Elektrolytzusammensetzung/Grenzschichtbildung.

Zu diesem Ziel wird die Elektrolytzusammensetzung optimiert, teilweise unter Nutzung von Additiven, zur Erhöhung der Zyklenfestigkeit, Verbesserung der Grenzschichtbildung (SEI-Bildung) und Erhöhung der Coulomb-Effizienz im ersten Zyklus. Außerdem werden Untersuchungen von Elektrodenmaterialien in Halb- und Vollzellen in 2- bzw. 3-Elektrodenanordnung hinsichtlich Speicherfähigkeit, Reversibilität und Alterung durchgeführt. Die Identifizierung von Alterungsmechanismen mittels spezieller analytischer Methoden und deren Minderung ist ebenfalls Forschungsgegenstand. Hierzu sollen insbesondere die in-situ-Methoden „dynamic electrochemical mass spectrometry (DEMS), „pressure monitoring during galvanostatic cycling (PMGC)“ sowie „electrochemical dilatometry (ED)“ eingesetzt und etabliert werden.
Zuletzt werden ebenfalls die Elektrodenmaterialien der Projektpartner vermessen und eine gemeinsame Optimierung zum Bau von Demonstratoren (Natrium-Ionen-Batterie, Vollzelle) mit flüssigem und mit polymerem Elektrolyten angestrebt.

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Humboldt-Universität zu Berlin

Kommunikation, Marketing und Veranstaltungsmanagement (VIII)

Kathode, Analytik, Zelle

Fachgebiet Physikalische Chemie der Materialien / Elektrochemie

Humboldt-Universität zu Berlin Institut für Chemie Fachgebiet Physikalische Chemie der Materialien / Elektrochemie

Institut für Chemie

Herr Prof. Dr. Philipp Adelhelm

Fachgebiet Akkumulatoren Materialforschung – Post-Mortem Analysen und Alterungsmechanismen

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Standort Ulm Geschäftsbereich Elektrochemische Energietechnologien Fachgebiet Akkumulatoren Materialforschung – Post-Mortem Analysen und Alterungsmechanismen

Duration	01/02/2019 - 31/10/2022
Executing unit	ZSW • StO Ulm • GB EC • ECM
City	Ulm
Amount of funding	470.392,00 €
Total budget	470.392,00 €
Sponsor	BMFTR

Project

TRANSITION

Natrium-Ionen-Batterie-Demonstratoren für mobile und stationäre Energiespeicher

Project management as

Fachgebiet Akkumulatoren Materialforschung – Post-Mortem Analysen und Alterungsmechanismen

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

Funding

This project is part of the joint project

TRANSITION

Other sub-projects of the joint project

Sub-project 1

Duration:

Funding code:

Helmholtz-Institut Ulm

Sub-project 2

Duration:

Funding code:

Fachgebiet Physikalische Chemie der Materialien / Elektrochemie

This project is part of the funding initiative

Sub-project lead

Fachgebiet Akkumulatoren Materialforschung – Post-Mortem Analysen und Alterungsmechanismen

Sub-project manager

Press contact

Joint-project management

Helmholtz-Institut Ulm

Joint-project coordinator

Press contact

Links

Final reports and other publications at the TIB - Leibniz Information Centre for Science and Technology and University Library