Kurzbeschreibung des Einzelprojektes

• Herstellung und Optimierung von Elektroden mit hoher Flächenkapazität und Erhöhung der Energiedichte auf Zellebene
• Untersuchung neuer Kathodenmaterialien mit höherer Spannung (z. B. LNMO – „Hochvoltspinell“) und/ oder Kapazität (z. B. Ni-reiche NMC), überlithiiertes NMC (HE‑NMC) und Siliciumanoden
• Erhöhung der Kapazität bei gleichbleibend hohen Raten durch gezielte Strukturierung der Elektroden mittels verschiedener Leitrußmodifikationen und mittels Laserstrukturierung
• Einfluß der Prälithiierung mit stabilisiertem Lithiummetallpulver oder die Verwendung von Opfersalzen auf die Kapazität und Lebensdauer
• prozessübergreifende Optimierung der Fertigungsschritte
• grundlegende Untersuchung der Elektrolytbefüllung und Zellformierung

Ausführliche Beschreibung des Einzelprojektes

Herausforderungen und Ziele

Batteriespeicher sind aktuell und in den nächsten Jahren die teuerste Komponente in einem Elektrofahrzeug und tragen entscheidend zur Wertschöpfung bei. Die Energiedichte aktuell genutzter Zellen reicht nicht aus, um Reichweiten von mehr als 500 km für massenmarkttaugliche Fahrzeuge zu ermöglichen. Die zentrale Herausforderung der Elektromobilität ist die Erhöhung der Energiedichte bei gleichzeitiger Kostensenkung. Neuartige Anoden- und Kathodenmaterialien sowie eine Optimierung der Produktion sind hierfür notwendig.

Das Ziel des WING-Zentrums ExZellTUM II ist die Erforschung und Optimierung von Silicium-Anoden und Hochvolt-Kathoden in großformatigen Lithium-Ionen-Zellen sowie die prozessübergreifende Optimierung der Fertigungsschritte. Der Entwicklungsplan umfasst die gezielte Kontrolle der Elektrodenstruktur, Verbesserung des Zelldesigns, Produktionsprozesse für Halbzeuge und den Zellzusammenbau, grundlegende Untersuchungen zur Elektrolytbefüllung und Zellformierung sowie eine Aufklärung der Alterungsmechanismen vor allem von Zellen basierend auf Elektroden mit hohen Flächenkapazitäten. Während es vielversprechende Daten zu Laborzellen gibt, sind vor allem der kontinuierliche Elektrolytverbrauch, irreversible Verluste von aktivem Lithium bei der Formierung und die Volumenexpansion auf Elektroden- und Zellebene, insbesondere großformatiger Zellen, nicht gelöst. Die für Anwendungen entscheidenden Herausforderungen des „Scale-Up“ stehen im Zentrum von ExZellTUM II.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Im Rahmen des WING-Zentrums ExZellTUM wurde die Basis geschaffen, neue Materialien und Konzepte von den Grundlagen bis zur Anwendung zu untersuchen. ExZellTUM II baut darauf auf und bildet die gesamte Prozesskette der Batterieproduktion vom Aktivmaterial über Design und Auslegung bis zur Produktion und dem Test von großformatigen Vollzellen an drei Fakultäten der TUM ab.

Kern des Projekts ist die Herstellung von 5-Ah-Pouch-Bag-Zellen mit neuen Kathoden- und Anodenmaterialien. Der Schwerpunkt liegt auf Kathoden mit höherer Spannung (z. B. LNMO – „Hochvoltspinell“) und/ oder Kapazität (z. B. Ni-reiche NMC oder überlithiiertes NCM (HE-NCM) und Siliciumanoden. Mit diesen Materialien ist es möglich, Flächenkapazitäten von 4 mAh/cm2 im Vergleich zu heutigen 2-3 mAh/cm2 zu erreichen. Neben der Evaluierung der neuen Materialien über Qualitäts- und Leistungstests in State-of-the-art-Pouch-Bag-Zellen werden eine Reihe von In-situ- und In-operando-Methoden wie online elektrochemische Massenspektrometrie, Röntgenabsorptionsspektroskopie, Neutronenkleinwinkelstreuung, Neutronendiffraktion und Röntgendiffraktion durchgeführt. Eine Kostenreduktion und Energiemaximierung in der Batterieproduktion soll durch den Auftrag von dicken Beschichtungen und die Beschleunigung von Befüllung bzw. Benetzung sowie Formierungszeit erreicht werden. Hierbei wird durch die Einbringung von Strukturen in Elektroden, mittels Leitrußmodifikation oder Laserstrukturierung, die Hochstromfähigkeit und volumetrische Energiedichte von Zellen verbessert.

Zudem wird untersucht wie durch Strukturierung der negative Einfluss der Silicium-Volumenausdehnung auf die strukturelle Integrität der Anoden und sowie Alterung reduziert werden kann. Silicium-Anoden weisen in den ersten Zyklen einen meist signifikant höheren Lithiumverlust auf. Es wird untersucht, ob durch Prälithiierung mit Lithiumpulver oder Opfersalzen die Kapazität und Lebensdauer erhöht werden kann. Letztlich stellen die hohen Kathodenpotentiale mit den anvisierten Aktivmaterialien auch neue Anforderungen an die Passivkomponenten (Leitruße, Binder, Separatoren), deren Stabilität unter diesen Bedingungen bisher nur bedingt bekannt ist.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Road-Maps von Automobilherstellern haben gezeigt, dass die Kathodenmaterialien LNMO, HE-NMC und Nickel-reiche NMC sowie Siliciumanoden essenziell sind, um die für Batteriefahrzeuge (BEV) erforderlichen Energiedichten zu erzielen. Aktuelle Herausforderungen und Anforderungsprofile werden im Rahmen eines Industriebeirats mit nationalen Materialherstellern, Prozesstechnik- und Maschinenherstellern sowie nationalen Fahrzeugherstellern diskutiert. Neben dem Austausch aktueller Ergebnisse mit der Industrie findet über gemeinsame Workshops eine WING-Zentrum-übergreifende Vernetzung von Forschergruppen und überregionale Zusammenarbeit statt.

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

Projektleiter

Herr Prof. Dr. Andreas Jossen
Einzelprojektleiter
Technische Universität München, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik - Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik
Karlstr.  45
80333 München
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Fax: +49 89 289-26968
E-Mail: andreas.jossen@tum.de

Presse

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