Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Ziel des Teilprojektes ist die Entwicklung von Silicium-Elektroden mit hoher Kapazität und hoher Zyklenstabilität.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Zur Erreichung hoher Zyklenstabilitäten werden die vom Projektpartner hergestellten Silicium-Kohlenstoff-(Si/C-)Kompositelektroden einer speziellen, elektrochemischen Oberflächenbehandlung unterzogen. Mittels der elektrochemischen Oberflächenbehandlung wird die Bildung einer künstlichen SEI (Solid Electrolyte Interface) gezielt beeinflusst. Der Einfluss der Siliciumpartikelgrößen und Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen auf die Performance der Silicium-Anoden werden ebenfalls untersucht.

Zur Beurteilung der elektrochemischen Oberflächenbehandlung werden Versuchszellen mit vorbehandelten und nicht-vorbehandelten Si/C-Elektroden hergestellt. Die hergestellten Versuchszellen werden mittels einer physikalischen und elektrochemischen Charakterisierung mit anschließender Post-Mortem-Analyse untersucht.

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.01.2016 bis 31.12.2018
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 1.756.027,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Die Steigerung der Kapazität bzw. der Leistung pro Volumen von Lithium-Ionen-Batterien ist ein Schlüssel zur Steigerung der Akzeptanz der Elektromobilität in der Bevölkerung und damit zum Erreichen des Ziels der Bundesregierung, im Jahr 2020 eine Million aktive Elektrofahrzeuge zu etablieren. Eine vielversprechende Technologie, um dies zu erreichen, stellt der Einsatz des hochkapazitiven Siliciums als Aktivmaterial in der Anode dar.

Mit diesem Ansatz ist jedoch die Herausforderung der deutlich stärkeren Volumenänderung des Siliciums bei der Aufnahme der leistungsbestimmenden Lithium-Ionen verbunden, was derzeit noch zu einer deutlich reduzierten Langzeitbeständigkeit der Batterie führt. Vielversprechende Ansätze, durch die Nutzung von Silicium-Kohlenstoff-Kompositmaterialien (Si/C-Komposite) diese Volumenänderung zu kompensieren, sind im Labormaßstab vorhanden. Dabei dient der Kohlenstoff als Abstandshalter und elektrischer Leiter zwischen den Siliciumpartikeln. Somit kann die hohe Kapazität des Siliciums genutzt und gleichzeitig eine erheblich verbesserte Zyklenstabilität erzielt werden.

Das Projekt SiGgI (Silicon-Graphite goes Industry) adressiert diese Technologie und hat zum Ziel, die Schnittstelle zwischen Labor und industrieller Umsetzung abzubilden. Dafür ist neben der Materialentwicklung von Si/C-Kompositen, welche im Fokus des Projektes stehen, auch eine hochreproduzierbare Testzellenfertigung notwendig, welche die Streuung der manuellen Testzellenassemblierung reduziert und somit die Auflösung sehr kleiner Effekte ermöglicht. Dieses Ziel wird im Projekt durch eine zu entwickelnde vollautomatisierte Testzellenfertigung umgesetzt, welche mit entsprechender Messgrößenaufnahme zur kontinuierlichen Prozessüberwachung kombiniert wird. Zur weiteren Verbesserung der Zyklenstabilität wird weiterhin die Generierung von künstlicher SEI (Solid-Electrolyte-Interface) auf den Elektroden als Zersetzungsschutz untersucht.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Das Projekt wird in vier Arbeitsschwerpunkte gegliedert, die parallel über die Projektlaufzeit bearbeitet werden.

Der erste Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von siliciumhaltigem Aktivmaterial und Verfahren zur Fertigung von Silicium-Kohlenstoff-Elektroden im Technikumsmaßstab. Die Materialentwicklung beinhaltet die Materialbereitstellung, zu der die Zerkleinerung des Siliciums in den Nanometerbereich mittels Rührwerkskugelmühlen gehört, die Entwicklung von SiC-Mahlkugeln, sowie die Herstellung von Si/C-Kompositen, etwa mittels Granulationsverfahren. Die Untersuchung der Suspensionsformulierung und die Strukturanpassung der Elektroden durch Trocknung und Kalandrierung sind wichtige Elemente bei der Elektrodenherstellung.

Den zweiten Schwerpunkt des Projektes bildet die Vorbehandlung der Elektroden. Ziel ist die Erzeugung einer stabilen geschlossenen SEI, um die Elektroden während der Zyklisierung vor Zersetzung zu schützen. Zusätzlich verhindert diese einen kontinuierlichen irreversiblen Verlust von Ladungsträgern in der Zelle.

Der dritte Schwerpunkt des Arbeitsprogramms besteht in der Konzeption und Realisierung eines entsprechenden Anlagenkonzeptes zur automatisierten Assemblierung von Testzellen für die Evaluation von materialtechnischen Entwicklungen. Durch die automatisierte Assemblierung der Systeme soll eine hohe Reproduzierbarkeit angestrebt werden, mittels derer die Aussagekraft der Ergebnisse gesteigert und damit der Stichprobenumfang weiter reduziert werden kann.

Den vierten Schwerpunkt bildet die Konzeption eines Systems zur Datenerfassung, -speicherung, -verarbeitung und -auswertung (Data Mining) für Daten der Fertigung, Materialien und hergestellten Batteriezellen. Dadurch lassen sich neben revolutionären Aspekten (Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien) auch evolutionäre Aspekte (z. B. verschiedene Elektrolyte oder Additive) bei der Zellentwicklung effektiv berücksichtigen.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Das Projekt liefert durch die ganzheitliche Ausrichtung einen Beitrag zur Nutzbarmachung des hohen Potenzials von siliciumhaltigen Anoden. Die Serienreife siliciumbasierter Anodenmaterialien und deren Integration in ein Batteriesystem spielen bei der Verbesserung der Lithium-Ionen-Technologie, insbesondere bei der Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen, eine große Rolle.

In der Entwicklung und Realisierung einer automatisierten Lösung für Testzellmessungen liegt großes Potenzial zur Senkung der Entwicklungskosten für weitere Technologieschritte und zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit. Dies senkt für Unternehmen die Hürde zur Erforschung neuer Technologien, welche für die Herstellung bzw. Wahrung eines Technologievorsprungs entscheidend sind. Zudem bieten sich Ansätze zur direkten wirtschaftlichen Verwertung der Projektergebnisse, welche in Hochtechnologieprodukte mit Alleinstellungsmerkmal einfließen können.

Galerie

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil, portabel, stationär

Förderempfänger

Industrie, Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

schwarze Schlagworte: charakterisieren das Teilprojekt
graue und schwarze Schlagworte: charakterisieren das komplette Verbundprojekt

Teilprojektleiter

Herr Oliver Gröger
Technologiezentrum Elektromobilität der Volkswagen AG
Elektrotraktion - Abt. K-EFAB/Z
Am Krainhoop  5
38550 Isenbüttel

Kontaktformular

Verbundprojektleiter

Herr Oliver Gröger
Volkswagen AG
Zelltechnologie Li-Ion
Am Krainhop 5
38550 Isenbüttel
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Pressekontakt für Verbundprojekt

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