HiPoLiT

Schnellladefähige Lithium-Energiespeicher mit verbesserter Energiedichte für den Einsatz in modularen Unterstützungs- und Antriebskonzepten

Teilprojekt 1

Separator

Laufzeit: 01.01.2016 bis 31.12.2018

Fördersumme: 449.077,00 €

Projektvolumen: 1.122.692,50 €
 

ausführende Stelle:

Freudenberg Performance Materials SE & Co. KG, Lithium Ion Battery Separators
Höhnerweg  2-4
69469 Weinheim

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Freudenberg Performance Materials SE & Co. KG

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 511

Förderkennzeichen: 03XP0038A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Teilprojektes

  • Erstellen eines Anforderungsprofils für den Separator
  • Entwicklung eines hochvolt-stabilen Separators
  • Optimierung der Separatorproduktion im Hinblick auf Prozesstabilität und Qualität


Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Das HiPoLiT-Gesamtvorhaben hat sich zum Ziel gesetzt, Batterien zu erarbeiten, die sich gegenüber dem Stand der Technik durch die signifikant verbesserte Kombination der Schnellladefähigkeit bei praxisgerechter Energiedichte, Lebensdauer und herausragender Sicherheit auszeichnen. Für den Einsatz in den angezielten Hochleistungszellen weisen konventionelle Separatoren Fertigungs-, Performance- und Sicherheitsmängel auf.

Freudenberg Performance Materials (FPM) erarbeitet hierfür neuartige Separatoren, die hohe Stromdichten gewährleisten können, um die verfügbare Energie- und Leistungsdichte auch bei hoher Strombelastung zu maximieren und zudem eine auch bei hoher thermischer und mechanischer Belastung zuverlässige Trennung der Elektroden sicherzustellen.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

In den vergangenen Jahren hat FPM eine innovative Separatortechnologie entwickelt mit herausragenden thermischen und mechanischen Eigenschaften. Hierbei werden sehr dünne Polyester-Vliesstoffe genutzt, welche teilweise mit anorganischen Partikeln in einem speziellen Verfahren imprägniert werden. Die Dicke der Separatoren beträgt derzeit 25-30 µm. Imprägnierte Separatoren dieser Bauart sind temperaturbeständig bis mehr als 200°C und zeigen dabei keinen Schrumpf.

Ausgehend von dieser Technologieposition hat FPM das Ziel, im Rahmen seines Teilprojektes einen neuen Separator zu erarbeiten, der unter Beibehaltung seiner thermischen Stabilität den besonderen Projektanforderungen hinsichtlich der Spannungslage, Strombelastung und Wärmeentwicklung gerecht wird. Darüber hinaus muss er mit den weiteren in der Zelle eingesetzten Komponenten kompatibel sein sowie mit dem Zelldesign und den Prozessen der Zellproduktion (Trocknung, Imprägnierung, Schweißung) abgestimmt werden.

Im Hinblick auf die Erarbeitung eines Anforderungprofils für die Zellkomponente Separator wird zunächst eine Designmatrix für den Separator inklusive quantitativer Methodenbeschreibung erstellt. Als nächstes wird anhand eines bestehenden Separators ein Startpunkt für die Material- und Laborbatteriecharakterisierung festgelegt. Nach der Erarbeitung von Material- und Prozesskonzepten für Vliesstoff, Füllmaterial und Bindemittel erfolgt die Herstellung von Separatormustern im Labor. Letztlich ergibt sich eine Erprobung der Muster in Laborzellen, die eine iterative Optimierung der Materialien nach sich zieht. Zum Schluss erfolgt der Transfer auf die Pilotanlage. Hier werden die Separatormaterialien ebenfalls charakterisiert und iterativ optimiert.

Durch Funktionalisierung des Separators (Partikelauswahl, Materialbehandlung, Prozessführung) soll die potenziell schädliche Wirkung der hohen Kathodenspannung in Kombination mit Restfeuchte und deren Alterungsmechanismen unterdrückt werden.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Eine Stärke der FPM Separatortechnologie ist die hohe Adaptabilität auf spezielle Anwendungsbedürfnisse. In enger Abstimmung mit dem Zellhersteller kann FPM in hohem Maße die Materialdicke, Porosität und vor allem die Chemie der eingesetzten Materialien anpassen. Unseres Wissens ist diese Fähigkeit eine besondere Alleinstellung in dem intensiv bearbeiteten Markt der Separatorlieferanten. Die weitere Funktionalisierung des Separators weg von einem reinen Abstandshalter hin zu einer Komponente, die aktiv auf die Sicherheit, Zellprozesskosten, Performance und Lebensdauer Einfluss nehmen kann, entspricht der grundlegenden Agenda der Entwicklungsaktivitäten von FPM in diesem Gebiet.

Im HiPoLiT-Konsortium sind Partner vorhanden, die in der Lage sind, das Separatorpotenzial zu erkennen und in gemeinsamer Arbeit im Sinne der Anforderungen des Endanwenders zu heben.

Durch das Projekt gewinnt FPM wesentliche Erkenntnisse zur Stabilisierung und Optimierung der Fertigungstechnologie und die Darstellung der notwendigen Separatormenge zum Aufbau der Applikationsdemonstratoren. Die anschließende Kommerzialisierung aus Fertigung in Deutschland erwarten wir ca. 2 bis 3 Jahre nach Projektende.

Durch die fortlaufende Anpassung und Verbesserung des Produktes und der Technologie in enger Anbindung an die Weiterentwicklung von Elektroden und Elektrolyt werden wir ein neuartiges Material in den Markt einführen können. Die Arbeitsergebnisse werden durch Patentanmeldungen oder andere Schutzrechte geschützt. Gegebenenfalls und nach Absprache mit den Konsortialpartnern werden die Ergebnisse auf Fachtagungen und in Publikationen veröffentlicht.

Das Ziel ist es somit, im Material- und Komponentenbereich die notwendigen Beiträge für den Separator zu liefern, sodass bei Verwendung der geplanten Anoden- und Kathoden-Kombination anwendungsgerechte Energiespeicher darstellbar sind, die die gewünschten Eigenschaften erfüllen.


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.01.2016 bis 31.12.2018
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 2.017.583,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

Teilprojekt 1: Separator

Förderkennzeichen: 03XP0038A

Freudenberg Performance Materials SE & Co. KG, Lithium Ion Battery Separators
69469 Weinheim

Teilprojekt 2:

Förderkennzeichen: 03XP0038B

Johnson Matthey Battery Materials GmbH
85368 Moosburg

Teilprojekt 3: Zellbau

Förderkennzeichen: 03XP0038C

Liacon GmbH
25524 Itzehoe

Teilprojekt 4: Batteriebau

Förderkennzeichen: 03XP0038D

BMZ Batterien-Montage-Zentrum GmbH
63791 Karlstein

Teilprojekt 5:

Förderkennzeichen: 03XP0038E

Torqeedo GmbH
82205 Gilching

Teilprojekt 6: Elektrolyt

Förderkennzeichen: 03XP0038F

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
48149 Münster

Teilprojekt 7: Materialverarbeitung und Komponentenintegration

Förderkennzeichen: 03XP0038G

Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie, Batteriesysteme für Spezialanwendungen
25524 Itzehoe

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

Der Klimaschutz und eine sichere, bezahlbare Energieversorgung sind Voraussetzungen für eine nachhaltige Entwicklung des Industriestandortes Deutschland. Deshalb ist die erfolgreiche Einführung der Elektromobilität sowie die Umsetzung der generationenübergreifenden „Energiewende“ von zentraler Bedeutung für Deutschland. Ein Hauptelement für den Erfolg der Elektromobilität stellt die Verfügbarkeit von leistungsfähigen und sicheren Batterien dar, da nur mit ihnen eine große Nutzerakzeptanz erreicht werden kann. Die Wertschöpfung in Elektrofahrzeugen liegt zu 30 bis 40 Prozent bei der Batterie und davon der überwiegende Anteil bei der Zellfertigung. Die Zellfertigung als wichtiges Segment der Wertschöpfungskette sollte schon allein aus diesem Grund konsequent in eine nationale industrielle Infrastruktur abgebildet werden.

Die derzeitige Weltmarktsituation ist geprägt von der in Asien angesiedelten, etablierten Zellproduktion klassischer Lithium-Ionen-Batterien, deren Markt von starken Preisverfällen gezeichnet ist. Die für Deutschland beste Handlungsoption zum nachhaltigen Aufbau einer lokalen Zellfertigung ist daher eine übergreifende Zusammenarbeit entlang der Wertschöpfungskette, um innovative, differenzierungsstarke, und marktrelevante Produkte herzustellen.

Das zentrale Ziel des HiPoLiT-Projektes ist daher die Erarbeitung, der Aufbau und die Erprobung von Demonstratoren für praxisgerechte, energiedichteoptimierte Lithium-Ionen-Batterien auf Lithiumtitanoxid-(LTO-)Basis. Diese sollen auch bei niedrigen Temperaturen extrem schnellladefähig sein und durch Kombination mit Hochvoltkathoden mit verbesserter Eigensicherheit und Langzeitstabilität auch bei Zyklusprozessen eine gefahrlose Aufladung von Fahrzeugen innerhalb weniger Minuten erlauben. Im HiPoLiT-Projekt soll die Erprobung der Batterievorteile praxisnah in Elektrobootsantrieben verifiziert werden. Gerade auf dem Wasser gibt es weltweit eine Vielzahl von Kurzstreckenanwendungen, die trotz begrenzter Reichweite bei einer raschen Ladefähigkeit die Vorteile eines elektrischen Antriebes sofort und auch finanziell vorteilhaft nutzen könnten.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Zur Erreichung der Ziele sind intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der Material- und Komponentenforschung, der Prozesstechnologie, der Skalierung und der Speicherintegration notwendig.

Materialtechnologie: Im HiPoLiT-Vorhaben werden zur Erreichung einer erhöhten Energiedichte eines LTO-basierten Systems durch Einführung von Hochvolt-(HV-)Kathodenmaterialien Forschungsarbeiten an Kathode und Anode, dem Elektrolyten und dem Separator durchgeführt. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Schnellladefähigkeit, Lebensdauer, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit des Systems. Die Spannungslage der HV-Kathode mit bis zu 5 V macht besondere Forschungssanstrengungen für den Elektrolyten und den Separator notwendig.

Zelldesign: Der Schnellladebetrieb ist mit erhöhter Wärmeleistung verbunden. Die Komponenten und das Zelldesign als Ganzes werden auf eine möglichst geringe Wärmeproduktion auf Zellebene und eine gute thermische Ankopplung ans System optimiert. Zudem gilt es, den Transfer der Herstellungsprozesse aus dem Labor in eine industrielle Komponenten- und Zellfertigungsumgebung zu bewerkstelligen.

Prozesstechnologie: Eine Materialsubstitution durch die Einführung von drei wesentlichen Komponenten wie einer HV-Kathode mit einem HV-stabilen Elektrolyten und einem neu entwickelten Separator hat erheblichen Einfluss auf die Funktionalität und Stabilität des ganzen Systems „Zelle“ und erfordert Anpassungsarbeiten und elektrochemische Untersuchungen.

Batteriedesign: Um die praxisrelevante Tauglichkeit des neuen Batteriekonzeptes sicherzustellen, werden anwendungsgerechte Batterien hergestellt und deren Charakterisierung unter realistischen, relevanten Prüfbedingungen als „elektrischer Bootsantrieb“ durchgeführt. Die Erprobung erlaubt auch zuverlässige „total cost of ownership“-Betrachtungen zur weiteren Erhärtung der Vorteile.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die Verfügbarkeit von leistungsfähigen und sicheren Batterien stellt ein Hauptelement für den Erfolg der Elektromobilität dar, da nur mit ihnen eine große Nutzerakzeptanz erreicht werden kann. Die Verwertung der HiPoLiT-Batterie ist zunächst in elektrischen Boots- und anderen industriellen Anwendungen vorgesehen. Mittelfristig wird sie zudem auch für automobile Anwendungen als attraktiv bewertet, da Schnellladefähigkeit bei niedrigen Temperaturen eine deutliche Performance-Verbesserung auch für Batterien in Hybrid-Elektrofahrzeugen darstellt.

Das HiPoLiT-Konsortium hat ein stark differenzierungsfähiges Komponenten- und Zellkonzept identifiziert, welches es mit der klaren Zielstellung der baldigen Industrialisierung erforschen wird. Das HiPoLiT-Projekt ist somit im Einklang mit dem erklärten Ziel der Bundesregierung, die Lithium-Ionen-Zelltechnologie als Schlüsseltechnologie der elektrochemischen Energiespeicherung auch in Deutschland wieder fest zu verankern, um ihr großes Wertschöpfungspotenzial verfügbar zu machen und strategische Abhängigkeiten zu vermeiden. Damit einher geht natürlich auch ein Aufbau von Arbeitsplätzen.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Industrie, Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

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


Schlagworte zum Teilprojekt

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode Lithium/Mangan-reich LNMO

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Anode LTO

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Hochleistungssystem

Forschungsgegenstand

Zelle Separator Hochvolt-stabil

Forschungsbereiche

Produktion Komponentenfertigung Separator

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Bauteil- und Komponentenentwicklung

Analytik und Charakterisierung Anforderungsprofil bzw. -ableitung

Anwendungsfelder

mobil Antriebsart BEV

mobil Fortbewegungsart Land Nutzfahrzeug auf Rädern selbstfahrende Arbeitsmaschine sonstige Arbeitsmaschine Staplerfahrzeuge Gabelstapler

mobil Fortbewegungsart Wasser über Wasser kleine Wasserfahrzeuge kommerziell

mobil Fortbewegungsart Wasser über Wasser kleine Wasserfahrzeuge nicht-kommerziell Freizeit

Förderempfänger

Industrie chemische Industrie Textilien

Teilprojektleiter

Herr Dr. Christoph Weber
Teilprojektleiter (allgemeine Anfragen)
Freudenberg Performance Materials SE & Co. KG
Lithium Ion Battery Separators
Höhnerweg  2-4
69469 Weinheim
zum Internetauftritt

Telefon: +49 6201 80-4964
Fax: +49 6201 88-4964
E-Mail: christoph.weber@freudenberg-pm.com


Alternativer Kontakt

Frau Lisa Rauscher
Ansprechpartnerin für technische Fragen

Telefon: +49 6201 80-2940
Fax: +49 6201 88-2940
E-Mail: lisa.rauscher@freudenberg-pm.com


Verbundprojektleiter

Herr Dr. Christoph Weber
Freudenberg Performance Materials SE & Co. KG
Höhnerweg 2-4
69469 Weinheim
Telefon: +49 6201 80-4964
Fax: +49 6201 88-4964


Pressekontakt für Teilprojekt

Frau Katrin Böttcher
Höhnerweg 2-4
69469 Weinheim
Telefon: +49 6201 80-5977
Fax: +49 6201 88-5977
E-Mail: katrin.boettcher@freudenberg-pm.com
zum Internetauftritt


Pressekontakt für Verbundprojekt

Frau Katrin Böttcher
Höhnerweg 2-4
69469 Weinheim
Telefon: +49 6201 80-5977
Fax: +49 6201 88-5977
E-Mail: katrin.boettcher@freudenberg-pm.com
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