BenchBatt

Benchmarking und Evaluation der Leistungsfähigkeit und Kosten von Hochenergie- und Hochvolt-Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu Post-Lithium-Ionen Technologien

Teilprojekt 1

Laufzeit: 01.01.2016 bis 31.12.2018

Fördersumme: 1.117.120,00 €

Projektvolumen: 1.117.120,00 €
 

ausführende Stelle:

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
Corrensstr.  46
48149 Münster

zum Internetauftritt

Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Institut für betriebswirtschaftliches Management im Fachbereich Chemie und Pharmazie
Leonardo-Campus  1
48149 Münster
zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Westfälische Wilhelms-Universität Münster

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 511

Förderkennzeichen: 03XP0047A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Im Rahmen des Projektes BenchBatt (Benchmarking und Evaluation der Leistungsfähigkeit und Kosten von Hochenergie- und Hochvolt-Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu Post-Lithium-Ionen-Technologien) soll evaluiert werden, welche Hochenergiebatterietechnologie sich mittelfristig aufgrund ihrer Energiedichte, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit durchsetzen wird. Bei der vergleichenden Betrachtung von heutigen (Stand der Technik) und energieoptimierten Lithium-Ionen-Batterien (LIB) und Post-Lithium-Ionen-Batteriesystemen (PLIB), wie dem Lithium-Luft-System (Li/Luft), dem Lithium-Schwefel-System (Li/S), Natrium-basierten Batterien (Na-Ionen- sowie Na/Luft-Batterien) oder reinen Feststoffbatterien, sollen auch die Ressourcenverfügbarkeit und Kosten dieser Technologien betrachtet werden.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Die Westfälische Wilhelms-Universität Münster (WWU) beteiligt sich mit dem MEET Batterieforschungszentrum und dem Institut für betriebswirtschaftliches Management (IfbM) am Verbundprojekt BenchBatt. Das MEET übernimmt die Projektkoordination und erarbeitet gemeinsam mit den Verbundpartnern ein Berechnungstool zur Energiedichtekalkulation von LIB und PLIB. Des Weiteren werden eine große Bandbreite an Aktivmaterialien im Hinblick auf Energiedichte, Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit evaluiert. Dies schließt Anoden- und Kathodenmaterialien nach dem heutigen Stand der Technik, sowie Hochenergie- und Hochvoltmaterialien der nächsten Materialgeneration (Si/C-Anoden, Li-reiche Kathoden) ein. Auch eine Validierung von Lithium-Metall-Zellen soll experimentell erfolgen.

Das IfbM führt eine Analyse der Kosten von LIB und PLIB auf Material-, Zell- und Systemebene sowie der Verfügbarkeit der benötigten Ressourcen durch (etwa Li-Ionen vs. Na-Ionen). Auch hier soll abschließend ein Berechnungstool zur Kostenkalkulation erstellt werden und ein abschließender Kostenvergleich zwischen LIB- und PLIB-Systemen erfolgen.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die von der WWU erarbeiteten Ergebnisse dienen dem abschließenden Vergleich zwischen LIB- und PLIB-Technologien. Die zu erstellenden Berechnungsinstrumente sollen eine realistische Einschätzung der resultierenden Energieinhalte und der zu erwartenden Kosten von Hochenergiebatterien der nächsten Generation ermöglichen. Die experimentellen Arbeiten sollen zum einen die errechneten Energieinhalte validieren, insbesondere bezogen auf eine energieoptimierte Lithium-Ionen-Batterie, und zum anderen die Praxistauglichkeit neuer Materialkombinationen erproben.

Die WWU unterstützt das Verbundprojekt mit ihren kalkulatorischen und experimentellen Arbeiten somit maßgeblich bei der Beantwortung der Frage, welche Batterietechnologie das größte Potenzial hat, um sich mittelfristig durchzusetzen.


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.01.2016 bis 31.12.2018
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 3.027.774,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: 3.027.774,00 €

Teilprojekt 1:

Förderkennzeichen: 03XP0047A

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
48149 Münster

Teilprojekt 2: Validierung von flüssigen, polymeren und festen Elektrolyten

Förderkennzeichen: 03XP0047B

Forschungszentrum Jülich GmbH - Institut für Energie- und Klimaforschung - Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
52425 Jülich

Teilprojekt 3:

Förderkennzeichen: 03XP0047C

Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Battery LabFactory Braunschweig
38106 Braunschweig

Teilprojekt 4:

Förderkennzeichen: 03XP0047D

Justus-Liebig-Universität Gießen, FB 08 - Biologie und Chemie - Chemie - Physikalisch-Chemisches Institut
35392 Gießen

Fördergeber: BMBF, Referat 511

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Die Beantwortung der Frage, welche Batterietechnologie der nächsten Generation mit signifikant höheren Energieinhalten sich gegenüber der Lithium-Ionen-Batterie (LIB), also dem heutigen Stand der Technik, wird durchsetzen können, ist noch immer offen. Das Verbundprojekt BenchBatt beschäftigt sich mit der Validierung und Evaluierung von neuartigen Hochenergie- und Hochvolt-LIB im Vergleich zu alternativen Batteriesystemen (AB), dabei insbesondere dem Lithium-Luft-System, dem Lithium-Schwefel-System und Natrium-basierten Batterien (Natrium-Ionen- sowie Natrium-Luft-Batterien) als auch den Feststoffbatterien.

Die zentrale Fragestellung betrifft die zukünftige Konkurrenzfähigkeit bezüglich spezifischer und volumetrischer Energie sowie Kosten und perspektivische Materialverfügbarkeit von energieoptimierten LIB gegenüber realisierungsfähigen AB in Hinblick auf automobile und stationäre Anwendungen. LIB lassen sich generell durch die Wahl geeigneter Material-, Prozess- und Systemparameter entweder als Hochenergie- oder als Hochleistungssystem auslegen. Gegenüber LIB stellen AB hingegen sehr viel höhere theoretische Energieinhalte in Aussicht. Allerdings befinden sich die AB, dabei insbesondere das Lithium-Luft-System, technologisch noch immer im Grundlagenforschungsstadium, während sich die LIB-Technologie stetig weiterentwickelt.

Innerhalb von BenchBatt soll systematisch untersucht werden, inwieweit die zurzeit verwendete LIB-Technologie bezüglich ihrer Energiedichte weiter optimiert werden kann, wobei bewusst (verträgliche) Abstriche in der Leistung in Kauf genommen werden. Hierbei soll erörtert werden, ob sich eine solche energieoptimierte Lithium-Ionen-Zelle mittelfristig gegenüber zukünftigen Batterietechnologien wird behaupten können.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

BenchBatt beinhaltet einen theoretischen Teil, in welchem die Energieinhalte von heutigen und energieoptimierten LIB sowie die von AB-Technologien auf Material-, Elektroden- und Zellebene errechnet werden soll. Außerdem soll eine ausführlichen Kosten- und Ressourcenanalyse der konkurrierenden Batterietechnologien erfolgen. Im Rahmen der Kostenbetrachtung wird auch ein Werkzeug zur Bewertung der Lebenszykluskosten von LIB und AB entwickelt.

Des Weiteren enthält das Projekt einen experimentellen Teil, in welchem eine Validierung der jeweiligen Technologien auf Material-, Prozess- und Zellebene erfolgt. Zahlreiche etablierte und sich noch in der Entwicklung befindlichen Aktivmaterialien (inkl. metallisches Lithium und Silicium-Kohlenstoff-Komposite als Anoden sowie Lithium-reiche Schichtoxide und Hochvoltspinelloxide als Kathoden) sollen einander gegenübergestellt werden. Neben der Materialwahl soll der Einfluss unterschiedlicher Elektrodeneigenschaften (Schichtdicke, Porosität bzw. Verdichtungsgrad, Leitrußgehalt) sowie des gewählten Zelldesigns auf die Energiedichte, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der resultierenden Batterie erfolgen. Für die AB soll eine Validierung der Schwefel-Kathode für Lithium-Schwefel - sowie der Gasdiffusionselektrode für Lithium-Luft-Systeme durchgeführt werden.

Für eine maximale Lebensdauer der resultierenden Batterietechnologie soll eine Optimierung der verwendeten Zellkomponenten erfolgen. Dies betrifft insbesondere die Wahl des Elektrolytsystems (Lösungsmittel, Leitsalz und Additive), welches auf die jeweiligen Aktivmaterialien abgestimmt werden muss.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die Ergebnisse von BenchBatt sollen eine frühzeitige, realistische und wissenschaftlich fundierte Einschätzung der zukünftigen Konkurrenzfähigkeit der Technologien der nächsten Generation, u. a. hinsichtlich ihrer Energiedichte, Kosteneffizienz und Ressourcenverfügbarkeit, ermöglichen. Somit leistet das Projekt eine wichtige Hilfestellung zur Beantwortung der Frage, auf welche Batterietechnologie sich industrielle und universitäre Forschungsanstrengungen in naher Zukunft fokussieren sollten, um dem Ziel leistungsfähiger, kostengünstiger und langlebiger elektrochemischer Hochenergieenergiespeicher weiter näher zu kommen.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Festkörper-Batterien, Metall-Ionen-Batterien, Metall-Schwefel (nicht thermal), Metall-Luft

Anwendungsfelder

mobil, stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

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


Schlagworte zum Teilprojekt

Energiespeichertyp

Festkörper-Batterien Lithium

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien

Metall-Schwefel (nicht thermal)

Metall-Luft

Anwendungsfelder

mobil

stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Teilprojektleiter

Herr Prof. Dr. Martin Winter
MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
Corrensstr.  46
48149 Münster

Telefon: +49 251 83-36031
Fax: +49 251 83-36032
E-Mail: martin.winter@uni-muenster.de


Alternativer Kontakt

Herr Dr. Richard Klöpsch
Ansprechpartner

Telefon: +49 251 83-36747
Fax: +49 251 83-36032
E-Mail: richard.kloepsch@uni-muenster.de


Verbundprojektleiter

Herr Prof. Martin Winter
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
MEET Batterieforschungszentrum
Corrensstr. 46
48149 Münster
Telefon: +49 251 83-36031
Fax: +49 251 83-36032


Pressekontakt für Teilprojekt

Frau Vanessa Bartling
MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
Schlossplatz 2
48149 Münster
Telefon: +49 251 83-36720
Fax: +49 251 83-36032
E-Mail: vanessa.bartling@uni-muenster.de
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Pressekontakt für Verbundprojekt

Herr Prof. Martin Winter
Corrensstr. 46
48149 Münster
Telefon: +49 251 83-36031
Fax: +49 251 83-36032
E-Mail: martin.winter@uni-muenster.de