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Arbeitsfelder in HiPoLiS

Wingcopter Holding GmbH & Co. KG

Wingcopter GmbH

PR & Communications

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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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Lithium-Schwefel-(Li-S-)Batteriezellen erreichen bereits gravimetrische Energiedichten bis 400 Wh/kg und sind in dieser Eigenschaft herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien deutlich überlegen. Insbesondere Fluganwendungen profitieren von diesem Vorteil und erste Demonstrationsprojekte nutzen Li-S-Batterien als Speicher und für den elektrischen Antrieb von Pseudosatelliten. Mit dem wachsenden Markt der unbemannten Fluggeräte für die zivile Anwendung (moderner Ackerbau, Medikamententransport) steigt auch der Bedarf an leichten, leistungsfähigen Batterien.
Mit dem Einsatz von Li-S-Zellen (350 bis 450 Wh/kg) in diesen Fluggeräten wäre gegenüber Lithium-Ionen-Zellen (150 bis 250 Wh/kg) eine Verdopplung der unabhängigen Flugzeit und somit deutliche Kostenersparnisse sowie breitere Einsatzbereiche für den Anwender möglich. Jedoch verhindert bisher die geringe Technologiereife eine breite Anwendung der Li-S-Zellen. Zudem ist wenig zu den Einflussgrößen auf die Leistungsfähigkeit und weitere anwendungsrelevante Eigenschaften der Zellen bekannt, sodass sich auch ein Bedarf zur wissenschaftlichen Aufarbeitung ergibt. Die Fokussierung auf Li-S-Zellen mit einer besonders hohen Leistungsdichte würde außerdem zu einer erheblichen Verkürzung von Feedback-Schleifen in der Materialentwicklung führen. Somit birgt gerade die Leistungsverbesserung ein großes Potenzial, um die Li-S-Speichertechnologie im Allgemeinen schneller zur Marktreife zu führen.

Gesamtziel des Vorhabens ist somit die Leistungsverbesserung der Li-S-Zellen und die Demonstration verlängerter Flugdauer in einer Prototyp-Fluganwendung. Innovationen im Zellaufbau, in der Auslegung der Elektroden und im Elektrolytsystem sind die Lösungsansätze für diese Zielstellung.

Partner im Projekt sind das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), das Fraunhofer IWS und die Wingcopter Holding GmbH & Co. KG. Das HZB adressiert dabei Operando-Untersuchungen zur Ermittlung von Einflussgrößen auf die Konversionskinetik bzw. auf den Ionentransport für die Ableitung von Elektrolytrezepturen und Kathodenstrukturen für Hochleistungszellen.
Das IWS entwickelt leistungsfähige Elektrolyte und das Elektroden- bzw. Zelldesign. Die Umsetzung der neuen Ansätze erfolgt in Multilagen-Pouchzellen, dabei wird besonders die Leistungsfähigkeit evaluiert. Schwerpunkte sind dabei der leistungsoptimierte Elektroden- und Zellaufbau und die Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Li-S-Batteriezellen durch ein innovatives Elektroden- und Zelldesign.

Wingcopter ist für die Ermittlung von Anforderungsprofilen für Batteriezellen in verschiedenen Anwendungsszenarien und die Entwicklung von Drohnen-Konstruktionen für die Reichweiten-Erhöhung verantwortlich. Schwerpunkt hierbei ist die Demonstration von Li-S-Batterien mit verlängerter Flugdauer und der Bau eines Prototyp-Fluggerätes für die Demonstration der Li-S-Batterie-Technologie.

Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch eine höhere gravimetrische Energiedichte, umweltfreundlichere Komponenten und geringere Materialkosten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien aus. Damit ist diese Zellchemie äußerst attraktiv für zukünftige Speicherlösungen, insbesondere zur Steigerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen. Erste Anwendermärkte werden im Bereich der unbemannten Fluggeräte (UAV) erwartet. In den vergangenen Jahren wurden durch deutsche Start-up-Unternehmen (doks.innovation, Dedrone, Wingcopter, RUCON GmbH, …) bereits eine Reihe ziviler, industrieller UAV-Anwendungen erschlossen, u. a.
•  Inspektion und Datenerfassung in der Landwirtschaft

•  Inspektion von Industrie-Produktionsanlagen

•  Inspektion energietechnischer Anlagen (Wind, Solar)

•  Vermessung & Kartografie

•  Transport von Medizingütern
In diesem dynamischen Segment wird ein großes Wachstum erwartet. Verbesserte Batterien ermöglichen höhere Reichweiten und somit breitere Einsatzmöglichkeiten.

Für sichere, stabile Li-S-Zellen mit hoher Energiedichte kann langfristig mit einem breiten Einsatz als Energiespeicher in Konkurrenz zur Lithium-Ionen-Technologie in mobilen und stationären Anwendungen gerechnet werden. Von einem Know-how-Vorsprung zu dieser zukünftigen Batterietechnologie werden deutsche Unternehmen entlang der gesamten Wertschöpfungskette wie das KMU Wingcopter profitieren. Weiterhin werden an den Forschungsinstituten nachhaltig Kompetenzen im Bereich Materialsynthese sowie Elektrochemie aufgebaut und wissenschaftlicher Nachwuchs an diese herangeführt.

Ein (sich) abhebendes Elektroden- und Zellkonzept für High-Power-Li-S-Batterien

Frau Dr. Susanne Dörfler

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Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

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

Unternehmenskommunikation

Herr Dr. Holger Althues

Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

Lithium-Schwefel-(Li-S)-Batteriezellen erreichen bereits gravimetrische Energiedichten bis 400 Wh/kg und sind in dieser Eigenschaft herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien deutlich überlegen. Insbesondere Fluganwendungen profitieren von diesem Vorteil und erste Demonstrationsprojekte nutzen Li-S-Batterien als Speicher und für den elektrischen Antrieb von Pseudosatelliten. Mit dem wachsenden Markt (Verdopplung bis 2020) der unbemannten Fluggeräte (UAV: unmanned aerial vehicle) steigt auch der Bedarf an leichten, leistungsfähigen Batterien.
Mit dem Einsatz von Li-S-Zellen (350 bis 450 Wh/kg) in UAV wäre gegenüber Lithium-Ionen-Zellen (150 bis 250 Wh/kg) eine Verdopplung der autarken Flugzeit und somit deutliche Kostenersparnisse sowie breitere Einsatzbereiche für den Anwender möglich. Jedoch verhindert bisher die geringe Technologiereife eine breite Anwendung der Li-S-Zellen.

Gesamtziel des Teilvorhabens ist insbesondere die Leistungsverbesserung der Li-S-Zellen, da sie bisher unzureichend und somit der Einsatz dieser Batterien in Senkrechtstartern (Quadrocopter o. ä.) zunächst ausgeschlossen ist. Eine umfangreiche Literaturrecherche (1992 Artikel) ergab, dass wenig zu den Einflussgrößen auf die Leistungsfähigkeit der Zellen bekannt ist. Zudem sind Untersuchungen an Knopfzellen oft irreführend (Angabe von C-Raten, Experimente mit hohem Elektrolytüberschuss und geringer Aktivmaterialbeladung), sodass sich auch ein Bedarf zur wissenschaftlichen Aufarbeitung ergibt.

Die Fokussierung auf Li-S-Zellen mit einer besonders hohen Leistungsdichte würde außerdem zu einer erheblichen Verkürzung von Feedback-Schleifen in der Materialentwicklung führen. Somit birgt gerade die Leistungsverbesserung („High Power“-Zellen) ein großes Potenzial, um die Li-S-Speichertechnologie im Allgemeinen schneller zur Marktreife zu führen.

An diesen Punkten setzt das Teilvorhaben ganzheitlich und auf Prototyp-Niveau an, sodass sich die folgenden wesentliche Arbeitsschwerpunkte für das Fraunhofer IWS ergeben.
Wissenschaftliche Arbeitsschwerpunkte
•  Aufbau eines Grundlagenverständnisses für Einflussgrößen auf den Innenwiderstand von Li-S-Zellen und Kathoden-Konversionsmechanismen in neuen Elektrolytsystemen

•  Modell zu elektrischen Eigenschaften für die maßgeschneiderte Auslegung von „HiPoLiS“-Elektroden (perforierter Stromkollektor und Stickstoff-dotierte CNT/S-Aktivmaterialschicht) und den daraus resultierenden Zellen

Technische Arbeitsschwerpunkte

• Technische Umsetzung des „HiPoLiS“-Elektrodenkonzeptes mit 2 mAh pro Quadratzentimeter bei einem um 70 Prozent reduzierten Gewicht des Stromableiters durch Perforation

•  Entwicklung eines Elektrolytsystems mit Ionenleitfähigkeit > 2 mS/cm und Polysulfid-Löslichkeit < 10 mM/L
•  Entwicklung einer Hochleistungs-Li-S-Zelle mit > 280 Wh/kg bei 2C-Entladung

Angestrebte Innovationen

Die Leistungsfähigkeit von Li-S-Zellen wird bisher durch verschiedene Beiträge zum Innenwiderstand der Zellen limitiert. Das Fraunhofer IWS setzt mit Innovationen beim Elektrodendesign und Elektrolyten an diesen Punkten an und strebt eine ganzheitliche Reduktion des Innenwiderstandes auf Zellebene an.

Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch eine höhere gravimetrische Energiedichte, umweltfreundlichere Komponenten und geringere Materialkosten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien aus. Damit ist diese Zellchemie äußerst attraktiv für zukünftige Speicherlösungen, insbesondere zur Steigerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen.
Erste Anwendermärkte werden im Bereich der unbemannten Fluggeräte (UAV) erwartet. In diesem dynamischen Segment wird ein großes Wachstum erwartet. Verbesserte Batterien ermöglichen höhere Reichweiten und somit breitere Einsatzmöglichkeiten, vor allem auch für zivile Anwendungen wie moderne Landwirtschaft und Medikamententransport.

Für sichere, stabile Li-S-Zellen mit hoher Energiedichte kann langfristig mit einem breiten Einsatz als Energiespeicher in Konkurrenz zur Lithium-Ionen-Technologie in mobilen und stationären Anwendungen gerechnet werden. Von einem Know-how-Vorsprung zu dieser zukünftigen Batterietechnologie werden deutsche Unternehmen im Allgemeinen (Material- und Komponentenhersteller bzw. Endanwender) und das Fraunhofer IWS im Besonderen profitieren.

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Wissenschaftskommunikation

Komponentenentwicklung für High-Power-Li-S-Batterien

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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-Schwefel (Li/S) Batterien zeichnen sich durch ihre besonders hohe, theoretisch mögliche, gravimetrische Energiedichte von 2500 Wh/kg aus. Die enthaltene umweltfreundliche Schwefelkathode ist außerdem ein wichtiger Faktor, der dieses System zu einem vielversprechenden Kandidaten für die post-Lithium-Ion Ära macht. Li/S Batterien weisen jedoch einen starken vom Ladezyklus abhängigen Kapazitätsverlust auf, der eine breite kommerzielle Anwendung bisher verhindert hat. Um die Leistungscharakteristik von Li/S Batterien weiter zu verbessern, wird ein grundlegendes Verständnis der Konversionschemie benötigt. Operando Methoden bieten hierbei einen einzigartigen Zugang, um Prozesse, die zur Verminderung der Zellkapazität führen, direkt während des Zellbetriebs zu detektieren. Das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) kann auf eine starke Expertise in der Probenumgebung zurückgreifen. So wurde bereits in mehreren Publikationen gezeigt, dass Untersuchungen mit operando Methoden wertvolle Einblicke in elektrochemische Systeme liefern können. Hier ist besonders die Bedeutung von multidimensionalen operando Ansätzen hervorzuheben, die während des Zyklierens der Li/S Batterie mehrere, voneinander unabhängige, Messungen erlauben.
Ziel des gesamten Verbundprojektes ist es, in enger Zusammenarbeit mit allen Projektpartnern Li/S Batterien soweit zu optimieren, dass sie die hohen Anforderungen für Flugdrohnen erfüllen (Maximale Stromraten bis 2 C, Energiedichte auf Zellebene von >280 Wh/kg). In einem iterativen Feedbackverfahren werden neue Kathodenmaterialien und Elektrolytsysteme vom Fraunhofer IWS mit den vom HZB entwickelten operando Methoden analysiert und bewertet. Diese Erkenntnisse fließen in mehreren Feedbackschleifen in das Design und die Herstellung von verbesserten Materialansätzen ein um die von Wingcopter gesetzten Anforderungen zu erreichen.

Aufgrund der besseren volumetrischen Ausnutzung des Aktivmaterials auf Zellebene basiert der Großteil kommerzieller Batteriezellen auf dem Pouchzellendesign. Daher ist es notwendig ein neues operando Setup auf dieser Basis am HZB zu entwickeln, da sich nicht alle gewonnenen Erkenntnisse aus den operando Knopfzellenmessungen auf die nächst höhere Skala übertragen lassen.
Somit lassen sich für das HZB folgende Einzelziele formulieren:

•	Verbesserung des Wissenstands bezüglich der Degradierungsmechanismen in Li/S Batterien (Knopfzelle, Pouchzelle)

•	Entwicklung eines neuartigen operando Messaufbaus für Pouchzellen aufbauend auf Erfahrungen mit bereits bewährten operando Verfahren für Knopfzellen.

Die positiven Ergebnisse dieses Projektes werden, nach möglicher einer Erfindungsanmeldung, in der einschlägigen Fachliteratur veröffentlicht. Der Erkenntnisgewinn in diesem Projekt ist auch in der Spezialisierung des Postdoktorands von Nutzen. 
Die operando-Analysekapazitäten können auf weitere elektrochemische Speichersysteme (Li-ion, Na/S etc.) mit realistischem Potential für die kurz-bis mittelfristige Erreichung der Marktreife in Form von Drittmittelprojekten bzw. FuE Aufträgen z.B. mit der Automobilindustrie transferiert werden. Im Bereich der Grundlagenforschung werden wichtige neue Erkenntnisse erwartet, die zu einer nachhaltigen Stärkung der Expertise des HZB auf dem Gebiet der operando Analyse von elektrochemischen Speichern führt. Daraus resultieren gute Aussichten für spätere Verbundprojekte bzw. FuE Verträge. Weiterhin sind auch Industriekooperationen hinsichtlich der operando Analyse von bereits bestehenden kommerziellen (Pouchzellen-)Systemen denkbar.

Duration	01/01/2019 - 30/06/2022
Executing unit	Wingcopter
City	Weiterstadt
Amount of funding	387.415,00 €
Total budget	no information
Sponsor	BMFTR

Project

HiPoLiS

Ein (sich) abhebendes Elektroden- und Zellkonzept für High-Power-Li-S-Batterien

Project management as

Wingcopter GmbH

Wingcopter GmbH

Funding

This project is part of the joint project

HiPoLiS

Other sub-projects of the joint project

Sub-project 1

Duration:

Funding code:

Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

Sub-project 2

Duration:

Funding code:

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

This project is part of the funding initiative

Sub-project lead

Wingcopter GmbH

Sub-project manager

Press contact

Joint-project management

Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

Joint-project coordinator

Press contact

Links

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