thumbnail_Logo-ZSW.jpeg

Logo-ZSW.jpeg

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

small_BMFTR_de_Web_RGB_gef_durch.jpg

Bundesministerium für Bildung und Forschung

Referat 523: Werkstoffinnovationen, Batterie; Hereon, KIT

Referat 525: Batterieforschung; KIT

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

Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt

large_Batterie2020_Logo_RGB.jpg

medium_Batterie2020_Logo_RGB.jpg

small_Batterie2020_Logo_RGB.jpg

thumbnail_Batterie2020_Logo_RGB.jpg

Batterie2020_Logo_RGB.jpg

Logo Batterie 2020 RGB Web

small_Logo-des-Verbundprojektes_KIT.jpg

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.

large_Logo-des-Verbundprojektes_KIT.jpg

medium_Logo-des-Verbundprojektes_KIT.jpg

thumbnail_Logo-des-Verbundprojektes_KIT.jpg

Logo-des-Verbundprojektes_KIT.jpg

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

Herr Prof. Dr. Stefano Passerini

Prof. Dr.

small_Logo_farbe@4x-8.png

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.

small_KITlogo_4c_deutsch_RGB.jpg

Großforschungsaufgaben, Campus Nord

Karlsruher Institut für Technologie Großforschungsaufgaben, Campus Nord

Karlsruher Institut für Technologie

small_PTJ-Logo_Horizontal_Schutzraum_RGB.png

Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich

PTJ-Logo_Horizontal_Schutzraum_RGB.png

[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.

small_HU_Siegel-Kombi_RGB.jpg

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

Laufzeit	01.02.2019 - 31.10.2022
Ausführende Stelle	ZSW • StO Ulm • GB EC • ECM
Standort	Ulm
Fördersumme	470.392,00 €
Projektvolumen	470.392,00 €
Fördergeber	BMFTR

Projekt

TRANSITION

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

Projektbetreuung als

Fachgebiet Akkumulatoren Materialforschung – Post-Mortem Analysen und Alterungsmechanismen

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

Förderung

Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Dieses Projekt ist Teil des Verbundprojekts

TRANSITION

Weitere Teilprojekte des Verbundvorhabens

Teilprojekt 1

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

Helmholtz-Institut Ulm

Teilprojekt 2

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

Fachgebiet Physikalische Chemie der Materialien / Elektrochemie

Dieses Projekt ist Teil der Förderinitiative

Batterie 2020 (Transfer)

Teilprojektleitung

Fachgebiet Akkumulatoren Materialforschung – Post-Mortem Analysen und Alterungsmechanismen

Teilprojektleiter*in

Pressekontakt

Verbundprojektkoordination

Helmholtz-Institut Ulm

Verbundprojektkoordinator*in

Pressekontakt

Links

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