ARTEMYS

Skalierbare, kostengünstige Fertigungstechnologien für Kompositkathoden und Elektrolytseparatoren in Festkörperbatterien

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.07.2017 bis 30.06.2020
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 5.953.240,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

 

Teilprojekt 1

Elektrodenentwicklung und Prototypenbau von Festkörperbatterien

Förderkennzeichen: 03XP0114A

Robert Bosch GmbH Zentralbereich Forschung und Vorausentwicklung
71272 Renningen
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Teilprojekt 2

Förderkennzeichen: 03XP0114B

BASF SE
67056 Ludwigshafen
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Teilprojekt 3

Anforderungen, Zell- und Verschaltungskonzepte, Sicherheitsuntersuchungen, Verarbeitbarkeit und Prozessierung

Förderkennzeichen: 03XP0114C

BMW Group Werk Landshut
84030 Landshut
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Teilprojekt 4

Basismaterialien und Skalierung Lithiumionen-leitfähige Gläser bzw. Glaskeramiken

Förderkennzeichen: 03XP0114D

Ferro GmbH
60327 Frankfurt am Main

Teilprojekt 5

Förderkennzeichen: 03XP0114E

Glatt Ingenieurtechnik GmbH
99427 Weimar
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Teilprojekt 6

Entwicklung eines Sinterprozesses für Kompositkathodenfolien

Förderkennzeichen: 03XP0114F

Rehm Thermal Systems GmbH
89143 Blaubeuren-Seissen
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Teilprojekt 7

Laser- und Fertigungstechnologien für Festkörperbatterien

Förderkennzeichen: 03XP0114G

thyssenkrupp System Engineering GmbH - Standort Hohenstein-Ernsttahl, Research & Development
09337 Hohenstein-Ernstthal
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Teilprojekt 8

Förderkennzeichen: 03XP0114H

Tridelta Thermprozess GmbH
07629 Hermsdorf
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Teilprojekt 9

Förderkennzeichen: 03XP0114I

Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme
01277 Dresden
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Teilprojekt 10

In-situ- und In-operando-Charakterisierung von Feststoffzellen

Förderkennzeichen: 03XP0114J

Karlsruher Institut für Technologie – Fakultät für Physik – Institut für Nanotechnologie, Battery and Electrochemistry Laboratory
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
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Teilprojekt 11

Aerosoldepositionsmethode keramischer Festkörperelektrolyte

Förderkennzeichen: 03XP0114K

Universität Bayreuth, Fakultät IV - Angewandte Naturwissenschaften - Lehrstuhl für Funktionsmaterialien
95447 Bayreuth
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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

Lithium-Ionen-Batterien mit Festkörperionenleitern und Lithiummetall-Anoden werden aufgrund ihrer potenziell höheren spezifischen Energiedichte und vorteilhafterer Sicherheit als vielversprechende Speichertechnologien für zukünftige Elektrofahrzeuge gesehen. Trotz signifikanter Erhöhung der Forschungsaktivitäten innerhalb der vergangenen Jahre und der Darstellung der technischen Funktionalität von Festkörperbatterien im universitären Labormaßstab fehlt es bis dato an Prozesstechnologien zur massenfertigungstauglichen Darstellung.

An diesem Punkt setzt das Verbundprojekt ARTEMYS an. Ziel ist es, geeignete Prozesstechnologien für die Herstellung von vollkeramischen Festkörperbatterien (insbesondere Kompositkathoden und Festelektrolytseparatoren) zu erarbeiten, diese bezüglich ihrer Skalierbarkeit zu bewerten und mit den geeigneten Technologien Musterzellen im Labormaßstab zur Validierung darzustellen. Somit wird eine sowohl prozesstechnologische als auch eine kostenbasierte Entscheidungsgrundlage für eine potenziell nachfolgende Industrialisierung am Standort Deutschland gelegt. Durch den Zusammenschluss von drei Forschungsinstituten bzw. Universitäten sowie acht Firmen zu einem Kompetenznetzwerk entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Batteriefertigung wird notwendiges Know-how von der Materialherstellung und -aufarbeitung über die Elektroden-prozessierung und Zellherstellung inklusive der Fertigungsplanung bis hin zur Bewertung der Anwendung im Automobil gebündelt.

Die wissenschaftlichen Herausforderungen der Darstellung einer Festkörperbatterietechnologie werden im Projekt auf Basis einer detaillierten Elektroden- und Stackauslegung für Kompositkathoden und Separatoren mit Festkörperionenleitern adressiert. Dieses soll sowohl durch die Entwicklung geeigneter Fertigungstechnologien (etwa neue skalierfähige Sintertechnologien oder Kaltabscheideverfahren) als auch durch eine geeignete Wahl der Kombination von Aktivmaterial und Ionenleiter inklusive der Optimierung von Korn-, Oberflächen- und Mikrostruktur für den Aufbau der Elektroden erreicht werden.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Bei der Realisierung von Festkörperbatterien mit hinreichend hohen spezifischen Energien für automobile Anwendungen ergeben sich folgende wesentliche Herausforderungen:
• Realisierung eines defektfreien, über die Lebensdauer stabilen Elektrolytseparators (Vermeidung von Dendritenwachstum)
• Kompensation thermomechanischer Spannungen in der anorganischen Kompositkathode und im Elektrolyten (Atmen des Aktivmaterials, Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten)
• Herstellung einer Kompositkathode mit geringer Restporosität bei gleichzeitiger Vermeidung von schädigenden Nebenreaktionen zwischen Aktivmaterial und Ionenleiter.

Diese Fragestellungen werden im Projekt auf Basis einer detaillierten Elektroden- und Zellauslegung für Kompositkathoden mit sulfidischen bzw. oxidischen Festkörperionenleitern durch folgende Ansätze adressiert:
• Entwicklung geeigneter Fertigungstechnologien (etwa neue skalierfähige Sintertechnologien oder Kaltabscheideverfahren)
• geeignete Wahl der Kombination von Aktivmaterial und Ionenleiter sowie Optimierung von Korn-, Oberflächen- und Mikrostruktur für den Aufbau der Kompositkathode.

Im Projekt werden zunächst werden die Anforderungen an Fertigungstechnologien sowie an das Zell- und Stackdesign aus Anwendungssicht (top-down) und Materialperspektive (bottom-up) erarbeitet. Darauf basierend werden die Basismaterialien (Kathodenaktivmaterialien, sulfidische und oxidische Ionenleiter, Lithium-Anode) bereitgestellt, untersucht und Skalierungsverfahren entwickelt und implementiert. Dies bildet den Anknüpfungspunkt für die Komponentenentwicklung, den Kathodenkompositen und Separatoren, auf Basis von oxidischen und sulfidischen Ionenleitern. Die Einzelkomponenten werden anschließend zu Zellprototypen (<1 Ah) aufgebaut und getestet. Anhand der Ergebnisse erfolgen eine Technologiebewertung sowie die Ableitung geeigneter Fertigungskonzepte inklusive der Abschätzung zu erwartender Material- und Prozesskosten.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Festkörperzellen könnten nach Einschätzung der ARTEMYS-Partner ab 2025 in Traktionsbatterien zum Einsatz kommen, dies bedeutet einen Technologiesprung mit signifikanter Auswirkung auf Produktions- und Prozesstechnik. Im Rahmen des Projektes wird ein grundlegendes Zell-, Prozess- und Produktions-Know-how oxidischer und sulfidischer Festkörperzellen erarbeitet, das bei positiver Bewertung der Technologie mittel- bis langfristig in der Industrie am Standort Deutschland umgesetzt werden kann.

Festkörperbatterien kommen aufgrund ihrer intrinsischen vorteilhaften Eigenschaften auch für zahlreiche andere Anwendungen in Frage, wie Consumer-Electronics, Power Tools oder stationäre Speicher für Nieder-, Mittel- und Hochspannungsnetze. Durch Verbesserung von Sicherheit und Energiedichte kann die Festkörperbatterietechnik zukünftig die Potenziale elektrochemischer Energiespeicher weiter signifikant erhöhen. Damit wird die Nutzung regenerativer Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie zukünftig stark unterstützt.

Das Projekt ARTEMYS bildet auf dem Gebiet der Festkörperbatterie ein einzigartiges Zusammenspiel von Forschungseinrichtungen, Materialherstellern, Anlagenbauern, Automobilzulieferer und OEM am Technologiestandort Deutschland. Das hier aufgebaute Kompetenznetzwerk wird eine nachhaltige Schnittstelle zwischen deutscher Industrie, Forschung und Entwicklung im Bereich der Elektromobilität werden.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Festkörper-Batterien

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar, mobil

Förderempfänger

Industrie, Forschungs- und Entwicklungseinrichtung


Schlagworte der Teilprojekte des Verbundprojekts

Teilprojekt 1

Energiespeichertyp

Festkörper-Batterien Lithium Anode Lithium-Metall

Festkörper-Batterien Lithium Elektrolyt keramisch sulfidisch

Festkörper-Batterien Lithium Format Pouch

Forschungsgegenstand

Zelle

Zelle Elektroden Kathode

Zelle Separator

Forschungsbereiche

Produktion Testzelle mit keramischem Elektrolyt

Produktion Testzelle mit keramischem Elektrolyt Elektrodenfertigung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Konzeptentwicklung

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Elektrodenprozessierung

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

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Bauteil- und Komponentenentwicklung Elekrolytformulierung

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Industrie Gebrauchsgüterhersteller

Industrie Industrie-, Gebäude und Haustechnik

Industrie Verpackungstechnik

Industrie Zulieferer

Teilprojekt 2

Energiespeichertyp

Festkörper-Batterien Lithium

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Industrie chemische Industrie

Teilprojekt 3

Energiespeichertyp

Festkörper-Batterien Lithium Kathode NMC Nickelreich 6:2:2

Festkörper-Batterien Lithium Anode Lithium-Metall

Festkörper-Batterien Lithium Elektrolyt keramisch sulfidisch

Festkörper-Batterien Lithium Elektrolyt keramisch oxidisch

Forschungsgegenstand

Batteriemodul Verschaltungstopologie

Zelle

Zelle Elektroden

Zelle Elektrolyt

Forschungsbereiche

Sicherheit Bauteilcharakterisierung

Produktion Zelle mit keramischem Elektrolyt Assemblierung Einbringen in Verpackung

Produktion Zelle mit keramischem Elektrolyt Assemblierung Stapeln, Wickeln, Falten

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Konzeptentwicklung

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung

Analytik und Charakterisierung Anforderungsprofil bzw. -ableitung

Anwendungsfelder

mobil Antriebsart BEV

mobil Fortbewegungsart Land Kraftfahrzeug PKW

Förderempfänger

Industrie Automobil

Teilprojekt 4

Energiespeichertyp

Festkörper-Batterien Lithium Elektrolyt keramisch oxidisch

Forschungsgegenstand

Zelle Elektrolyt

Forschungsbereiche

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Hochskalierung

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Materialentwicklung und -synthese

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Industrie

Teilprojekt 5

Energiespeichertyp

Festkörper-Batterien Lithium

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Industrie Anlagen-, Maschinenbau und Automatisierung Veredelung und Verarbeitung von Pulvern

Teilprojekt 6

Energiespeichertyp

Festkörper-Batterien Lithium

Forschungsgegenstand

Zelle Elektroden Kathode

Forschungsbereiche

Produktion Testzelle mit keramischem Elektrolyt Elektrodenfertigung Verarbeitung lösemittelfrei Sintern

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Konzeptentwicklung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Machbarkeitsstudie

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Prozess-Eigenschaftsbeziehungen

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Hochskalierung

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Industrie Anlagen-, Maschinenbau und Automatisierung thermische Systeme

Teilprojekt 7

Energiespeichertyp

Festkörper-Batterien Lithium Elektrolyt keramisch sulfidisch

Festkörper-Batterien Lithium Elektrolyt keramisch oxidisch

Forschungsgegenstand

Zelle Elektroden Kathode

Forschungsbereiche

Produktion Zelle mit keramischem Elektrolyt Elektrodenfertigung Aktivieren Laserstrukturierung

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Industrie Anlagen-, Maschinenbau und Automatisierung

Teilprojekt 8

Energiespeichertyp

Festkörper-Batterien Lithium

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Industrie Anlagen-, Maschinenbau und Automatisierung

Teilprojekt 9

Energiespeichertyp

Festkörper-Batterien Lithium

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung außeruniversitäre Einrichtung

Teilprojekt 10

Energiespeichertyp

Festkörper-Batterien Lithium Kathode NMC Nickelreich 6:2:2

Festkörper-Batterien Lithium Anode Lithium-Metall

Festkörper-Batterien Lithium Elektrolyt keramisch sulfidisch

Festkörper-Batterien Lithium Elektrolyt keramisch oxidisch

Forschungsgegenstand

Zelle Elektroden

Zelle Elektrolyt

Forschungsbereiche

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Demonstrator Testzelle

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Elektrodenprozessierung

Analytik und Charakterisierung Methode physikalisch Röntgendiffraktometrie

Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch Cyclovoltammetrie

Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch galvanostatische Zyklisierung

Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch Impedanzspektroskopie

Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch Massenspektrometrie DEMS

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Mechanismus Degradation

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Stabilitätsgrenze chemische

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Stabilitätsgrenze mechanische

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung außeruniversitäre Einrichtung

Teilprojekt 11

Energiespeichertyp

Festkörper-Batterien Lithium Kathode NMC Nickelreich 6:2:2

Festkörper-Batterien Lithium Anode Lithium-Metall

Festkörper-Batterien Lithium Elektrolyt keramisch sulfidisch

Festkörper-Batterien Lithium Elektrolyt keramisch oxidisch

Forschungsgegenstand

Zelle Elektroden Kathode

Zelle Elektrolyt

Forschungsbereiche

Produktion Testzelle mit keramischem Elektrolyt Elektrodenfertigung Aerosoldepositionsmethode (ADM)

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Verbundprojektleiter

Herr Dr. Ingo Kerkamm
Robert Bosch GmbH
CR/ARM2
Robert-Bosch-Campus 1
71272 Renningen

E-Mail: ingo.kerkamm@de.bosch.com


Pressekontakt

kein Pressekontakt

Typ Inhalt Aktion
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