HighEnergy

Fertigung hochkapazitiver, strukturierter Elektroden

Teilprojekt 1

Fertigung hochkapazitiver, strukturierter Elektroden

Laufzeit: 01.08.2016 bis 30.11.2019

Fördersumme: 731.941,00 €

Projektvolumen: 731.941,00 €
 

ausführende Stelle:

Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Battery LabFactory Braunschweig
Langer Kamp  8
38106 Braunschweig

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 511

Förderkennzeichen: 03XP0073A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Teilprojektes

  • materialseitige Strukturierungskonzepte für hochkapazitive Graphitanoden auf Wasserbasis
  • Strukturänderung durch einen Porenbildner
  • Trocken- und Nassmischstrategien für hochkapazitive Elektroden und Verdichtungsprozess
  • Trocknung hochkapazitiver Elektroden
  • Charakterisierung und Demonstration in gestapelter Pouchzelle


Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Die Erlangung von Kenntnissen über die Wirkzusammenhänge zwischen Elektrodenstruktur und Leistungsfähigkeit sowie Zustand der Batterieelektrode und darauf aufbauend ein wissensbasiertes, d. h. gezieltes Design von Elektroden, bedürfen generell eines intensiven Austauschs zwischen Herstellung und experimenteller Analyse der Elektroden einerseits und vertiefter modellbasierter Analyse und Optimierung andererseits. Das gilt umso mehr für Hochkapazitätselektroden, bei denen etliche Produktionsparameter komplett neu einzustellen sind, um funktions- und leistungsfähige Zellen zu erreichen.

Ein rein experimenteller Ansatz ist hoch kostenintensiv und benötigt Jahre, während rein modellbasierte Studien technische Randbedingungen nicht berücksichtigen und quantitativ den starken Einfluss der Prozesstechnik auf reaktionskinetische Parameter nicht abbilden können. Entsprechend ist zwingend eine gemeinsame experimentelle und modelltheoretische Vorgehensweise zur gezielten Herstellung leistungsfähiger Hochenergieelektroden notwendig. Obwohl die beteiligten Partner in der Batteriezellfertigung und Simulation bereits auf langjährige Erfahrungen und ein breites Know-how zugreifen können, wurden bisher keine Studien zu Hochenergieelektroden und zur gezielten Kopplung von modellbasierter und experimenteller Optimierung durchgeführt.

Die gezielte Herstellung und Optimierung von Hochenergieelektroden stellt daher eine Herausforderung dar. Hierfür ist es notwendig, die experimentelle und modellbasierte Optimierung der Elektrodenstruktur für Hochenergieelektroden voranzutreiben. Diese Untersuchung trägt maßgeblich zu einem verbesserten Systemverständnis der Batterieelektrodenfertigung bei, welches für eine erfolgreiche Produktionskostenreduktion und Produktqualitätsverbesserung essenziell ist.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Ziel ist die Kombination von experimentellen und modelltheoretischen Methoden zur Optimierung der Struktur von Elektroden für leistungsfähige Hochenergieelektroden. Der prozesstechnische Teil des Instituts für Partikeltechnik (iPAT) untersucht und evaluiert dabei verschiedene Herstellungsmethoden zur gezielten Einstellung verschiedener Strukturen. Die begleitende Modellierung am Ines erlaubt die Abbildung der Elektrodenstrukturen in ein Modell, sowie die Analyse des Zustandes dieser Elektroden inklusive Korrelation zwischen Struktur, Elektrodenzustand und Leistungsfähigkeit.

Die Modelle werden nach Parametrierung durch die Produktparametercharakterisierung zur konkreten mathematischen Optimierung der Elektrodenstrukturen eingesetzt und resultierende Strukturen analysiert. Daraus resultierende Struktur-Empfehlungen werden wiederum an die prozesstechnischen Projektpartner zur Umsetzung und Validierung übergeben. Gemeinsam werden so iterativ optimale Strukturen für Hochenergie-Elektroden identifiziert.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Durch neue prozesstechnische Entwicklungen wird das „Know-how“ innerhalb der Battery Lab Factory Braunschweig gestärkt, sodass auch eine Anwendung auf neue Materialien und Systeme möglich ist. Ähnlich erlaubt die Entwicklung einer rigorosen Optimierungsmethodik auf Basis von elektrochemischen Modellen eine Anwendung auf andere Systeme oder Optimierungsziele, was mittelfristig eine technische Weiterentwicklung von Elektroden erlaubt, die deutlich über den Rahmen dieses Projektes hinausgeht. Ergebnisse und Erkenntnisse über limitierende Prozesse innerhalb von hochkapazitiven Elektroden können verwendet werden, um grundlegende Zusammenhänge und Designregeln für Elektrodenstrukturierung abzuleiten, welche mittelfristig in wissenschaftlichen Publikationen bereitgestellt werden.

Das Potenzial bei erfolgreicher Etablierung extrem hochkapazitiver Elektroden, ergibt sich durch maßgebliche Effekte, um einerseits in Bezug auf die Produktion von Batteriezellen und anderseits für die Nutzer elektromobiler Anwendungen zu heben. Im Hinblick auf die Batteriezellproduktion kann der Produktionsdurchsatz in kWh pro Zeiteinheit gesteigert und gleichzeitig die Kosten pro kWh gesenkt werden. Dadurch resultieren für den Nutzer der Elektromobilität finanzierbare Lösungen und die Reichweite der Fahrzeuge kann maßgeblich gesteigert werden. Diese technische Erfolgsaussicht hat damit einen wesentlichen Einfluss auf die Nutzerakzeptanz und Durchsetzung der Elektromobilität. Dies wiederum führt zur positiven Wirkung auf die Industrie (Maschinenbau, Batteriezellhersteller, OEM).


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.08.2016 bis 31.07.2019
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 2.945.397,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: 2.945.397,00 €

Teilprojekt 1: Fertigung hochkapazitiver, strukturierter Elektroden

Förderkennzeichen: 03XP0073A

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

Teilprojekt 2: Beschichtung, Trocknung und neue Stapelbildungsverfahren (BEST)

Förderkennzeichen: 03XP0073B

Karlsruher Institut für Technologie - Fakultät für Maschinenbau - wbk Institut für Produktionstechnik am Ehrenhof
76131 Karlsruhe

Teilprojekt 3: Konzept- und Prozesserforschung für strukturierte ultradicke Kathoden

Förderkennzeichen: 03XP0073C

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg – Standort Ulm, Geschäftsbereich Elektrochemische Energietechnologien - Fachgebiet Akkumulatoren Materialforschung
89081 Ulm

Teilprojekt 4: Mikrostruktur aufgelöste Simulation hochkapazitiver Elektroden

Förderkennzeichen: 03XP0073D

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. - Institut für Technische Thermodynamik, Computergestützte Elektrochemie
70569 Stuttgart

Teilprojekt 5: Stochastische 3D-Strukturmodelle zur Mikrostrukturoptimierung hochkapazitiver, strukturierter Elektroden

Förderkennzeichen: 03XP0073E

Universität Ulm, Fakultät für Mathematik und Wirtschaftswissenschaften - Institut für Stochastik
89069 Ulm

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

Ziel des Vorhabens ist es, die Performance von Lithium-Ionen-Zellen bei gleichzeitiger Einsparung von Material- und Herstellungskosten zu erhöhen und damit die Voraussetzungen für eine Technologie- und Kostenführerschaft einer großskaligen Batterieproduktion in Deutschland zu etablieren. Das nachhaltige Produktionskonzept eröffnet auch einen schnelleren Einstieg in die Technologie neuer Zell-Generationen wie Lithium-Schwefel-Batterien.

Das Projekt adressiert im Wesentlichen die folgenden drei Ziele:
1. Steigerung der Energiedichte,
2. Erhöhung der Durchsatzgeschwindigkeit und
3. Weiterentwicklung des Verständnisses zum Produktionsprozess, die im Folgenden näher erläutert werden.

Steigerung der Energiedichte: Im Vergleich zum Stand der Technik (3 bis 4 mAh/cm²) sollen sehr hohe Flächenkapazitäten der Elektroden (Ziel: 8 bis 12 mAh/cm²) durch das Aufbringen sehr dicker Elektrodenschichten realisiert werden. Dabei soll mit Hilfe hierarchischer Strukturierung der Elektroden bezüglich Partikel- und Porengrößenverteilung sowie Eigenschaftsgradienten von Aktivmaterial, Binder und Leitruß, deren Optimum durch Modellierung ermittelt wird, die zunehmende Transportlimitierung behoben und eine anwendungsrelevante Strombelastbarkeit erreicht werden. Das Verhältnis von Aktivmaterialmasse zu inaktivem Massenanteil der Zelle wird erheblich erhöht, die Volumenausnutzung im Gehäuse gesteigert.

Erhöhung der Durchsatzgeschwindigkeit: Die durch eine einfache Auftragstechnik realisierte sehr hohe Flächenbelegung ermöglicht es, Hochenergiezellen mit deutlich weniger Elektrodenlagen zu assemblieren und dadurch den Stapel- bzw. Wickelprozess stark zu verkürzen. Der Stapelprozess soll zudem für dicke Elektroden angepasst und optimiert werden.

Verständnis zum Produktionsprozess: Produktionskonzepte werden erarbeitet, mit denen eine Fertigung dicker Hochenergieelektroden trotz der großen produktionstechnischen Herausforderungen mit hoher Homogenität, mechanischer Stabilität, Substrathaftung und Elastizität realisiert werden kann. Die Elektroden sollen in Rolle-zu-Rolle-Verfahren prozessierbar sein und zudem eine hohe Zyklenlebensdauer erreichen. Entwicklung und Qualifizierung eines Verfahrens für die Stapelbildung mit dicken Elektroden ist ebenfalls Bestandteil des Projektes.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Im Projekt HighEnergy werden in enger Abstimmung der prozesstechnischen Partner (ZSW, iPAT, TFT und wbk) Strukturierungskonzepte für hochkapazitive Elektroden entwickelt und untersucht. Dabei muss die komplette Prozesskette abgebildet werden. Ebenso wird der Einfluss der Mischprozesse auf die Transportlimitierungen untersucht.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf dem Beschichtungsprozess, dabei insbesondere der simultane Mehrlagenauftrag sowie der intermittierende Auftrag. Hierzu werden systematische Untersuchung des Einflusses der Trocknungsbedingungen auf die Elektrodeneigenschaften durchgeführt. Des Weiteren wird ein Prozessverständnis für die Stapelbildung entwickelt und dieses für hochkapazitive Elektroden optimiert.

Die hergestellten Elektroden werden sowohl als Einzelelektrode als auch als Zelle charakterisiert. Die Uni Ulm erstellt unter Verwendung von stochastischen 3D-Strukturmodellen Realisierungen virtueller Elektroden auf Basis von Tomographien realer Kathoden und Anoden. Die Realisierungen dienen als Input für strukturaufgelöste Halb- und Vollzellsimulationen, welche vom DLR/HIU durchgeführt werden. Die Simulationen geben detaillierte Einblicke in limitierende und kritische Prozesse und Betriebszustände innerhalb der Batterie. Die Parametrierung des Modells wird anhand elektrochemischer Messungen vorgenommen, die von den Partnern der Prozesstechnik zur Verfügung gestellt werden.

Die Ergebnisse der rigorosen mathematischen Optimierung (InES) werden von der Uni Ulm aufgegriffen, in 3D-Realisierungen der Elektrodenstruktur umgesetzt und an das DLR/HIU zur elektrochemischen Evaluierung übergeben. Am Ende dieses iterativen Prozesses stehen so optimierte Elektrodenstrukturen und Parameter bereit, welche den experimentellen Gruppen als Leitfaden bei der Elektrodenherstellung dienen sollen. Mit Hilfe intensiver Simulationsstudien werden Leistungs-Struktur-Korrelationen ermittelt, die ein wichtiges Hilfsmittel der Elektrodenentwicklung sind.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die Produktion von Batteriezellen ist eine Abfolge von komplexen Einzelprozessen, an denen verschiedene Industriebranchen beteiligt sind, so etwa die chemische Industrie sowie der Anlagen- und Maschinenbau. Angestrebt wird eine hohe Leistungsfähigkeit und Qualität der Batteriezellen bei niedrigen Kosten.

Allerdings gibt es derzeit noch Lücken bei der detaillierten wissenschaftlichen Beschreibung der komplexen Zellproduktionsprozesse, da nicht jede Forschungseinrichtung alle Aspekte auf den unterschiedlichen Größenskalen und bei dem komplexen Wechselspiel der Materialien untereinander alleine abschließend bearbeiten kann. Jede auf dem Gebiet der Batteriezellproduktion aktive Forschungseinrichtung zeichnet sich aber durch hohe Kompetenzen in einzelnen, sich ergänzenden Facetten der Elektroden- und Zellfertigung aus.

Die Vielzahl von wissenschaftlichen Fragestellungen, die sich aus der Komplexität der Batteriezellproduktion ergeben, kann erst durch eine intensive Zusammenarbeit der relevanten deutschen Forschungseinrichtungen erfolgreich bearbeitet werden. Hier setzt das nationale Kompetenzcluster zur Batteriezellproduktion (ProZell) an: Ziel von ProZell ist es, den Produktionsprozess von Batteriezellen und dessen Einfluss auf die Zelleigenschaften sowie die Produktentstehungskosten zu erarbeiten, im Detail zu verstehen und wissenschaftlich beschreiben zu können sowie für neue Batteriegenerationen weiterzuentwickeln. Damit soll die wissenschaftliche Basis für den Aufbau und die nachhaltige Weiterentwicklung einer international führenden, wettbewerbsfähigen Batteriezellproduktion in Deutschland gelegt werden.

Für eine wirtschaftliche Batteriezellproduktion müssen die produzierten Lithium-Ionen-Zellen eine hohe Qualität und Performance aufweisen. Weiterhin dürfen die Material- und Herstellungskosten nur so hoch sein, dass der Prozess insgesamt profitabel und wirtschaftlich bleibt. Hier setzt das Projekt HighEnergy an. Das Projekt soll die Herstellung sehr dicker Elektrodenstrukturen untersuchen, die einen hohen Energiegehalt mit sich bringen. Durch den hohen Energiegehalt soll sich die Reichweite elektrischer Fahrzeuge deutlich erhöhen.

Das Konsortium plant die Untersuchung der gesamten Prozesskette der Elektrodenfertigung. Es sollen nicht nur grundlegende Erkenntnisse bezüglich der benötigten Materialien wie Binder, Additive und Aktivmaterial erlangt werden, sondern auch hinsichtlich der einzelnen Verarbeitungsschritte zu Elektroden. Der Gesamtprozess soll so erarbeitet werden, dass er ohne Schwierigkeiten auf neue Batteriezell-Generationen wie Lithium-Ionen-Feststoffbatterien oder Lithium-Schwefelbatterien übertragbar ist. Dies soll einen schnelleren Einstieg in neue Zelltechnologien ermöglichen.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil, stationär

Förderempfänger

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 NMC Nickelreich 6:2:2

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Anode Graphite

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

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Dickschichtelektrode

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Hochenergiesystem

Forschungsgegenstand

Zelle Elektroden

Forschungsbereiche

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Kosten

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Qualität

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Struktur

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Prozess-Eigenschaftsbeziehungen

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Struktur-Eigenschaftsmodell

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Teilprojektleiter

Herr Wolfgang Haselrieder
Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig
Battery LabFactory Braunschweig
Langer Kamp  8
38106 Braunschweig
zum Internetauftritt

Telefon: +49 531 391-94652
Fax: +49 531 391-9633
E-Mail: w.haselrieder@tu-braunschweig.de


Verbundprojektleiter

Herr Wolfgang Haselrieder
Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig
Battery LabFactory Braunschweig / Institut für Partikeltechnik
Volkmaroder Str. 5
38104 Braunschweig
Telefon: +49 531 391-94652
Fax: +49 531 391-9633


Pressekontakt für Teilprojekt

Herr Wolfgang Haselrieder
Telefon: +49 531 391-94652
Fax: +49 531 391-9633
E-Mail: w.haselrieder@tu-braunschweig.de


Pressekontakt für Verbundprojekt

Herr Wolfgang Haselrieder
Volkmaroder Str. 5
38104 Braunschweig
Telefon: +49 531 391-94652
Fax: +49 531 391-9633
E-Mail: w.haselrieder@tu-braunschweig.de