Kurzbeschreibung des Teilprojektes

• Entwicklung von Prozesstechnologien für die skalierfähige Herstellung von Festkörperkathoden und -separatoren auf Basis von sulfidischen Ionenleitern
• Entwicklung eines Zellbauprozesses für die Darstellung von

Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Das Teilvorhaben adressiert die Entwicklung einer Prozesstechnologie für Lithium-Ionen-Festkörperbatterien basierend auf sulfidischem Festelektrolyten. Der Fokus liegt hierbei auf dem skalierbaren Herstellungsprozess der Kathode und des Separators, deren Funktionalität abschließend in einer ca. 1 Ah Batterie demonstriert werden soll. Die angestrebte Batterietechnologie soll in der Elektromobilität zum Einsatz kommen. Sulfidische Glaskeramiken stellen einen attraktiven Festelektrolyten dar, der sich an der frühen Schwelle zum industriellen Einsatz befindet.

Festkörperbatterien verzichten grundsätzlich auf den Einsatz eines brennbaren flüssigen Elektrolyten und können so zu dem Förderziel einer sicheren Batterie beitragen. Gleichzeitig erlauben die sulfidischen Glaskeramiken mit einer hohen Lithium-Ionen-Leitfähigkeit eine hohe Ratenfähigkeit und somit kurze Ladezeiten. Eine hohe Energiedichte soll durch Einsatz einer Lithium-Anode erreicht werden. Dies wird durch den im Projekt angestrebten defektfreien Separator mit hoher Lebensdauer ermöglicht. Festkörperbatterien weisen weiterhin ein vorteilhaftes Verhalten bei niedrigen Temperaturen (<0 °C) auf, wo herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyten deutliche Leistungs- und Energiedichteeinbußen hinnehmen müssen.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Die Robert Bosch GmbH hat zum Ziel, einen skalierbaren Fertigungsprozess für einen Separator sowie eine Kathode basierend auf einem sulfidischen Festelektrolyten zu entwickeln. Dazu wird zunächst die entsprechende Schlickerrezeptur entwickelt und auf einen skalierbaren Herstellprozess angepasst. Dieses bildet die Grundlage für die weitere Optimierung der Funktion der Schichten hinsichtlich folgender Ziele.

Für den Separator wird eine geringe Dicke zum Erreichen einer hohen Energiedichte angestrebt. Gleichzeitig muss das Dendritenwachstum über die Lebensdauer verhindert, eine hohe Zyklenfestigkeit erreicht und die gute Lithium-Ionen-Leitfähigkeit der sulfidischen Glaskeramiken erhalten bleiben. Um im Kathodenkomposit eine hohe Energiedichte zu erreichen, muss die Mischung der Komponenten zu einer guten Perkolation des Elektrolyten und des Leitadditivs führen, um deren Anteile gering halten zu können. Zur Erhöhung der Lebensdauer werden beschichtete Kathodenaktivmaterialien eingesetzt, deren Beschichtung trotz mechanischer Beanspruchungen im Mischprozess sowie im Batteriebetrieb stabil sein muss und einen guten Kontakt zum Elektrolytmaterial gewährleistet.

Um diese Ziele systematisch zu erreichen ist es wichtig, die Zusammenhänge zwischen Schlickerzusammensetzung und Prozessparametern auf die Mikrostruktur zu identifizieren und den Einfluss dieser auf die gewünschten Funktionseigenschaften zu ermitteln. Daher werden bei der Robert Bosch GmbH entsprechende Charakterisierungen durchgeführt und um fortgeschrittenen Charakterisierungsmethoden der Partner ergänzt.

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 zahl-reiche 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.

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

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

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

Teilprojektleiter

Herr Dr. Ingo Kerkamm
Robert Bosch GmbH Zentralbereich Forschung und Vorausentwicklung
Robert-Bosch-Campus  1
71272 Renningen

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

Verbundprojektleiter

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

Pressekontakt für Verbundprojekt

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