BeBAT

Entwicklung von epoxid-basierten Bindern auf Basis nachwachsender Rohstoffe für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien

Teilprojekt 1

Entwicklung und Charakterisierung der Binder und der Elektrodenfolien

Laufzeit: 01.11.2015 bis 31.10.2018

Fördersumme: 241.417,00 €

Projektvolumen: 241.417,00 €
 

ausführende Stelle:

Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Fachbereich 7 Maschinenbau - Institut für Füge- und Schweißtechnik
Langer Kamp  8
38106 Braunschweig

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMEL, Referat 525

Förderkennzeichen: 22026414

Projektträger: PT-FNR

Leistungsplansystematik:
DB0226 Untersuchungen zum Aufkommen von Holz und Agrarbiomasse, zur Mobilisierung von Nutzungs- und Produktionsreserven sowie zur Steigerung der Verwendung von Holz und Agrarrohstoffen einschließlich neuer Produktionsverfahren und Produkte

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Das Institut für Füge- und Schweißtechnik ifs wird in diesem Vorhaben aufgrund der Kompetenzen im klebtechnischen Bereich die Analytik der für einen Klebstoff charakteristischen Eigenschaften vornehmen und in enger Zusammenarbeit mit dem Thünen-Institut die Epoxid-Binder modifizieren. Die Einarbeitung des Aktivmaterials, Vorversuche zur Herstellung von Elektrodenfolien sowie die Bestimmung der Eigenschaften der Batteriezellen (Leitfähigkeit, Porosität u. a.) und erste Vorversuche zur Herstellung von Elektrodenfolien werden ebenfalls am ifs durchgeführt.

Quelle: http://www.fnr.de/index.php?id=942&alles=1&status=Inhalt&zeitraum=Aktuell&fkz=22026414&suchefkz=&sucheadresse=&von=06.10.2014&bis=06.10.2016&zeitraum=formular&untertitel=St%C3%A4rke&was=&produktlinie=2?&minz=0&maxz=300&zurueck=Stichwort (jüngster Zugriff: 06.10.2016)


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.11.2015 bis 31.10.2018
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 473.313,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

Teilprojekt 1: Entwicklung und Charakterisierung der Binder und der Elektrodenfolien

Förderkennzeichen: 22026414

Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Fachbereich 7 Maschinenbau - Institut für Füge- und Schweißtechnik
38106 Braunschweig

Teilprojekt 2: Entwicklung und Charakterisierung biobasierter Epoxidklebstoffkomponenten

Förderkennzeichen: 22006415

Johann Heinrich von Thünen-Institut Bundesforschungsinstitut für Ländliche Räume, Wald und Fischerei, Institut für Agrartechnologie
38116 Braunschweig

Teilprojekt 3: Untersuchung und Optimierung der Elektrodenfolienfertigung

Förderkennzeichen: 22006515

Custom Cells Itzehoe GmbH
25524 Itzehoe

Fördergeber: BMEL, Referat 525

Projektträger: PT-FNR

Leistungsplansystematik:
DB0226 Untersuchungen zum Aufkommen von Holz und Agrarbiomasse, zur Mobilisierung von Nutzungs- und Produktionsreserven sowie zur Steigerung der Verwendung von Holz und Agrarrohstoffen einschließlich neuer Produktionsverfahren und Produkte

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Lithium-Ionen-Batterien sind aus dem täglichen Gebrauch kaum wegzudenken und dienen in vielen Bereichen als Energiespeicher. Gerade für Anwendungen in der Elektromobilität spielt nach dem derzeitigen Stand der Technik die Erhöhung der Energie- und Leistungsdichte bei längerer Lebensdauer und höheren Zykluszahlen eine wichtige Rolle.

Das Prinzip der Lithium-Ionen-Batterie beruht auf der reversiblen Insertion und Extraktion von Lithium-Ionen in ein Aktivmaterial durch elektrochemische Redoxvorgänge. Dazu ist die Batterie aus einer Anode und einer Kathode aufgebaut, an denen die elektrochemischen Prozesse während des Entladens und des Ladens stattfinden. Die Elektroden sind durch Stromabscheider elektrisch über einen Verbraucher verbunden. Ein Elektrolyt dient dabei als Ionenleiter für die Lithium-Ionen und schließt den Stromkreis.

An der Anode wird das Aktivmaterial reduziert. Dabei werden Lithium-Ionen eingelagert. Beim Entladen werden sie dann wieder freigesetzt. Als Anode geschaltet besteht der Stromableiter aus Kupfer, da dieses bei niedrigen Potentialen keine Legierung mit Lithium bildet und elektrochemisch stabil ist. Für die Anwendung muss das Aktivmaterial mit einem Binder auf diesen Stromableiter aufgebracht werden. Dieser besteht heute meist aus Polyvinylidenfluorid (PVdF) und ist für eine verbesserte Leitfähigkeit mit Ruß gemischt. Mit einem Dispergiermittel, häufig N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), wird ein sogenannter Slurry hergestellt und auf das Trägermaterial (den Stromableiter: Kupfer bei der Anode, Aluminium bei der Kathode) aufgebracht und getrocknet. Nach weiteren Prozessschritten wie Kalandrieren (zum Verdichten und Glätten) und Schneiden erhält man die fertigen Elektroden.

PVdF und NMP haben dabei deutliche Nachteile: Neben dem hohen Preis des PVdF ist vor allem das hohe Gesundheitsgefährdungspotenzial durch das giftige und krebserregende Lösemittel von Nachteil, was eine aufwändige Verfahrenstechnik und Sicherheits- und Zulassungsmaßnahmen notwendig macht. Auch funktionell sind Nachteile vorhanden: Die geringe Haftung des Binders zum Trägermaterial und die geringe Elastizität haben sich als nachteilig erwiesen, da sie zur Delamination und Rissbildung in der fertigen Elektrodenfolie führen kann.

Hier setzt das Projekt BeBAT an. Im Rahmen des Vorhabens werden Bindermaterialien entwickelt, welche die genannten Nachteile überwinden. Dabei wird angestrebt, im Vergleich zu den etablierten Lösungen die Ladungsdichte, Sicherheit und Umweltverträglichkeit zu erhöhen.
Die aktuellen, gesundheitsbedenklichen Bindersysteme sollen gegen unbedenkliche Systeme ausgetauscht werden. Dabei setzt das Projekt bei Bindern auf der Basis von Epoxidharzen an. Die besondere Herausforderung besteht darin, einen möglichst hohen Anteil an Binderkomponenten auf der Basis nachwachsender Rohstoffe zu verwenden.

Ziel ist es, ein maßgeschneidertes Bindersystem zu erhalten, das die oben genannten Nachteile überwindet und aufgrund der Verarbeitung die Prozesskosten senkt.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Als Ausgangsverbindungen werden ungesättigte biobasierte Verbindungen wie Fette und Öle eingesetzt und speziell für die Anwendung als Epoxid-Bindemittel für Elektrodenmaterial modifiziert. Optimiert werden das Reaktionsverhalten, das Abbindeverhalten und die chemische, mechanische und elektrische Stabilität. Basierend auf den Ergebnissen werden ausgewählte Bindemittelsysteme im Präindustriemaßstab zu Elektrodenfolien verarbeitet, die auf ihre Eignung getestet werden.
Das Thünen-Institut ist für die Entwicklung der Epoxidklebstoffkomponenten auf Basis nachwachsender Rohstoffe verantwortlich und führt die damit verbundenen Synthese und chemisch-analytischen Charakterisierungen durch. Das Institut für Füge- und Schweißtechnik (ifs) analysiert die thermo-mechanischen Eigenschaften und modifiziert in enger Zusammenarbeit mit dem Thünen-Institut die Epoxid-Binder. Die Einarbeitung des Aktivmaterials, die Vorversuche zur Herstellung von Elektrodenfolien sowie die Bestimmung der Eigenschaften der Batteriezellen (Leitfähigkeit, Porosität u. a.) und erste Vorversuche zur Herstellung von Elektrodenfolien werden ebenfalls am ifs durchgeführt. Diese Vorversuche werden begleitet von der Custom Cells Itzehoe GmbH, die ausgehend von den optimierten Bindern und Rezepturen der Vorversuche und ausgehend von den Ergebnissen der Charakterisierungen die Laborprozesse in ein industriell realisierbares Verarbeitungskonzept (Scale-Up) erarbeitet. Die Schill + Seilacher „Struktol“ GmbH unterstützt als assoziierter Partner die Verbundpartner durch die Bereitstellung von modifizierten Epoxidharzsystemen.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die Ergebnisse des Projektes tragen dazu bei, die derzeit verwendeten Bindermaterialien durch unbedenkliche Systeme auf der Basis nachwachsender Rohstoffe ersetzen zu können und den Herstellprozess durch eine vereinfachte Handhabung ohne toxische Lösemittel preisgünstiger zu gestalten.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil, portabel, stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung, Industrie

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


Schlagworte zum Teilprojekt

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil

portabel

stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Teilprojektleiter

Elisabeth Stammen
Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig
Fachbereich 7 Maschinenbau - Institut für Füge- und Schweißtechnik
Langer Kamp  8
38106 Braunschweig
zum Internetauftritt

Telefon: +49 241 963-2706
Fax: +49 241 963-2719
E-Mail: e.stammen@tu-braunschweig.de


Verbundprojektleiter

Frau Elisabeth Stammen
Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig
Fachbereich 7 Maschinenbau - Institut für Füge- und Schweißtechnik
Langer Kamp 8
38106 Braunschweig
Telefon: +49 241 963-2706
Fax: +49 241 963-2719


Pressekontakt für Teilprojekt

Elisabeth Stammen
Telefon: +49 241 963-2706
Fax: +49 241 963-2719
E-Mail: e.stammen@tu-braunschweig.de


Pressekontakt für Verbundprojekt

Frau Elisabeth Stammen
Langer Kamp 8
38106 Braunschweig
Telefon: +49 241 963-2706
Fax: +49 241 963-2719
E-Mail: e.stammen@tu-braunschweig.de