HiLo

Umweltfreundliche Hochenergie-NMC-622-Kathoden mit optimierter Speicherkapazität/ High-Load-Kathoden

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.08.2016 bis 31.07.2019
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 1.018.416,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: 1.018.416,00 €

 

Teilprojekt 1

Hochenergie-NMC-622-Kathoden mit optimierter Speicherkapazität basierend auf Extrusionstechnologien sowie deren elektrochemische Evaluierung

Förderkennzeichen: 03XP0070A

Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme
01277 Dresden
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Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie
25524 Itzehoe
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Teilprojekt 2

Modellbasierte Optimierung von Hochenergie-NMC-622-Kathoden und Validierung des Elektrodendesigns

Förderkennzeichen: 03XP0070B

Technische Universität Dresden - Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe
01069 Dresden
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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 Erhöhung der Energiespeicherdichte von sekundären Lithium-Ionen-Speichern ist eines der zentralen Ziele aktueller Entwicklungen, um die Anforderungen vor allem automobiler Anwendungen zu erfüllen. Ein wesentlicher Ansatzpunkt dafür liegt in der Optimierung der Kathodenstruktur und deren Speicherinhalt, da diese den ‚Lithiumlieferanten‘ für die Zelle darstellt. Optimierte Zellen besitzen heute Kathoden mit einer spezifischen Flächenkapazität von etwa 4 mAh/cm². Erreicht wird dies durch die Verwendung von Aktivmaterialien hoher Speicherdichte in Kombination mit erhöhten Packungsdichten der Elektrode. Flächengewicht und Elektrodendichte stellen somit die technologischen Ansatzpunkte für speicherdichteoptimierte Elektrodendesigns dar. Allerdings ergeben sich Einschränkungen aus der Verarbeitbarkeit in den Folgeprozessen der Zellherstellung (mechanische Anforderungen, Dauer der Elektrolytbefüllung) und der Zellperformance im Betrieb (insbesondere limitierte Ratenfähigkeit durch limitierte Lithiumionendiffusion).

Ziel des Projektes ist es, modellgestützt geeignete Elektrodenstrukturen (Flächengewicht, Porosität und Porengrößenerteilung, Partikelgrößenverteilung, …) für die Maximierung des Energiespeicherinhaltes von Hochenergieelektroden zu entwickeln und technologische Ansätze für die Realisierung solcher Elektroden zu untersuchen. In der Regel müssen mobile Sekundärspeicher allerdings ebenfalls eine hohe Schnelladefähigkeit aufweisen, was durch eine dicke Elektrode mit schlechter Lithiumionendiffusion erschwert wird. An diesem Zielkonflikt zwischen optimaler Energie- und Leistungsdichte setzt das Vorhaben HiLo an. Dafür sollen die Folienextrusion sowie innovative Trockenbeschichtungsverfahren betrachtet werden. Die Elektroden werden sowohl hinsichtlich Verarbeitbarkeit als auch Performance bewertet sowie die im Projekt entwickelten Modelle validiert.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Die technologischen Arbeiten im Projekt erfolgen bei IKTS und ISIT. Wie in allen Projekten des ProZell-Clusters üblich, werden in HiLo dafür Hochenergiepulver von Typ NMC 622 eingesetzt.

Das Fraunhofer IKTS bearbeitet im Labor- und Technikumsmaßstab extrusionsbasierte Abscheideverfahren, wobei sowohl klassische Extrusionsprozesse (Feststoffanteil 90 Prozent) aus der keramischen Technologie als auch der Auftrag über Schlitzdüsen (Feststoffanteil 50 bis 70 Prozent) als technologische Ansatzpunkte gesehen werden. Hierdurch sollen Prozess-Eigenschaftsbeziehungen für die mittels Extrusion hergestellten Kathoden abgeleitet werden. Das Fraunhofer ISIT wird Trockenbeschichtungsprozesse betrachten, die für die Elektrodenherstellung noch weitgehend unbekannt sind, allerdings wegen des vollständigen Verzichts auf Lösemittel ein hohes ökologisches und ökonomisches Potenzial aufweisen. Für die Bewertung der Skalierbarkeit wird mit dem Projekt LoCoTrop zusammengearbeitet.

Die Verarbeitbarkeit der so hergestellten Elektroden wird von IKTS und ISIT gemeinsam untersucht. Neben einer Bewertung der mechanischen Eigenschaften (Zusammenarbeit mit HighEnergy) wird die Benetzbarkeit mit dem Elektrolyten (beeinflusst signifikant die Dauer der nachgelagerten Elektrolytbefüllung) betrachtet. Das IKTS bringt dafür seine Methoden zu Charakterisierung des Elektrolytpenetrationsverhaltens im Elektroden-Separator-Verbund ein.

Die TU Dresden wird modellbasierte geeignete Elektrodenstrukturen identifizieren, simulieren und mittels elektrochemischer Methoden quantifizieren, welchen Einfluss diese strukturellen Anpassungen auf die Eigenschaften der Elektroden haben. Dabei steht die theoretische Vorhersage und experimentelle Ermittlung der Lithiumionendiffusion in porösen Elektroden im Vordergrund.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Das Vorhaben adressiert die Ziele des Clusters ‚ProZell‘ für die Herstellung von NMC-622-Kathoden (Mischen, Elektrodenauftrag, Verdichten). Im Ergebnis des Projektes entsteht ein tiefgehendes Verständnis für die Prozessgestaltung zur Realisierung optimierter Hochenergie-Kathoden, die Wechselwirkung mit Folgeprozessen sowie für den Einfluss auf die Zelleigenschaften (Speicherdichte, Leistungsfähigkeit). Dies bildet die Grundlage für eine Reduzierung der Produktionsentstehungskosten. Damit wird ein wesentlicher Beitrag zur ganzheitlichen Betrachtung der Prozesskette in Form von Prozess-Qualität-Eigenschaft-Funktionen und Prozess-Kosten-Funktionen geleistet.

Die Verfahren der Extrusionstechnik und Trockenbeschichtung zur Folienherstellung von Lithium-Ionen-Batterien bietet gegenüber den üblichen slurrybasierten Beschichtungstechniken, wobei in der Regel das Tapecasting-Verfahren großtechnisch eingesetzt wird, verschiedene Vorteile. Zum Beispiel sind bei diesem Verfahren die Feststoffanteile der Slurries auf 50 Prozent begrenzt, sodass die Folien nach der Beschichtung aufwendig getrocknet werden müssen. Da bei der Extrusion und Trockenbeschichtung weniger bzw. kein Lösemittel verwendet wird, entfällt dieser kosten- und energetische Zusatzaufwand nahezu vollständig. Nebenbei können mit diesen Verfahren aufgrund der höheren Viskosität gegenüber dem Tapecasting auch dickere Elektrodenschichten und damit größere Beladungen eingestellt werden.

Unterstützend zur Prozessentwicklung wird das Elektrodendesign der Partner durch die Modellierung vorgegeben und Struktur-Eigenschaftsbeziehungen abgeleitet. Demzufolge können umfangreiche Experimente entfallen und die Entwicklungsprozesse zielgerichtet beschleunigt werden. Um die Anwendung der Erkenntnisse aus der Simulation zu vereinfachen, wird angestrebt empirische Auslegungsgleichungen abzuleiten, die zukünftig diese Zielkonflikte einfacher darstellen und die Auswahl eines guten Kompromisses im Trade-off von Energie- und Leistungsdichte ermöglichen.


Galerie

Folienextrusion
extrudierte Massen

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil, stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung


Schlagworte der Teilprojekte des Verbundprojekts

Teilprojekt 1

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode NMC Nickelreich 6:2:2

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Format Pouch

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Format Knopfzelle

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Dickschichtelektrode

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Hochenergiesystem

Forschungsgegenstand

Zelle Elektroden Kathode

Forschungsbereiche

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Assemblierung Elektrolytbefüllung

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Beschichten Transferverfahren

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Mischen Kneter

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Mischen Doppelschneckenextruder

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Mischen Walzwerke

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung trocken

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung nass auf Basis organischer Lösemittel

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung nass wasserbasiert

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Durchsatzzeit

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Energiebedarf

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Flächengewicht

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Ökobilanz

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Packungsdichte

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Partikelgrößenverteilung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Prozess-Eigenschaftsbeziehungen

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Struktur-Eigenschaftsmodell

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Bauteil- und Komponentenentwicklung Elektrode Rezeptur

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Benetzbarkeit

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung mechanische Eigenschaften

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Verarbeitbarkeit

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Zelltest Halbzelle

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Zelltest Vollzelle

Anwendungsfelder

mobil

stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung außeruniversitäre Einrichtung

Teilprojekt 2

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode NMC Nickelreich 6:2:2

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Dickschichtelektrode

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Hochenergiesystem

Forschungsgegenstand

Zelle Elektroden

Zelle Elektroden Kathode

Forschungsbereiche

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Simulation

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Prozess-Eigenschaftsbeziehungen

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Vorhersagemodell

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Bauteil- und Komponentenentwicklung Elektrode

Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch galvanostatische intermittierende Titrationstechnik

Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch Impedanzspektroskopie

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Ionendiffusion

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Struktur-Eigenschaftsbeziehungen

Anwendungsfelder

mobil

stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Verbundprojektleiter

Frau Dr. Mareike Wolter
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Mobile Energiespeicher und Elektrochemie
Winterbergstr. 28
01277 Dresden

Telefon: +49 351 2553-7971
Fax: +49 351 2554-229
E-Mail: mareike.wolter@ikts.fraunhofer.de


Pressekontakt

Herr Dr. Sebastian Reuber
Winterbergstr. 28
01277 Dresden
Telefon: +49 351 2553-7682
Fax: +49 351 2554-230
E-Mail: sebastian.reuber@ikts.fraunhofer.de