Dual-Carb

Untersuchung und Optimierung von Aktiv- und Inaktivkomponenten für Dual-Kohlenstoff-Batteriespeichersysteme

Laufzeit: 01.09.2017 bis 31.08.2019
Fördersumme: 200.429,00 €
Projektvolumen: 200.429,00 €
 

ausführende Stelle:

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
Corrensstr.  46
48149 Münster
zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Schlossplatz  2
48149 Münster
zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 511

Förderkennzeichen: 03XP0118

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Einzelprojektes

  • Entwicklung eines leistungsfähigen und kostengünstigen Dual-Kohlenstoff-Batteriespeichersystems
  • Entwicklung und Untersuchung geeigneter Elektrolytkomponenten für Dual-Kohlenstoff-Batterien
  • Evaluierung von Elektrolytadditiven zum Aufbau der Grenzschichten (SEI, CEI)
  • Untersuchung der Kinetik der Anioneninterkalation in Graphit


Ausführliche Beschreibung des Einzelprojektes

Herausforderungen und Ziele

Die Entwicklung stationärer Energiespeicher, beispielsweise zur Speicherung von Wind- oder Solarenergie, ist ein wichtiger Baustein zur Umstellung der Stromversorgung auf erneuerbare Energien. Im Gegensatz zum elektromobilen Anwendungsfeld sind bei stationären Speicherkraftwerken nicht unbedingt hohe Energiedichten notwendig, sondern primär stehen gute Leistungseigenschaften zur Kompensation von kurzfristigen Lastspitzen, eine möglichst günstige Kostenstruktur sowie eine hervorragende Betriebssicherheit und hohe Lebensdauer im Vordergrund.

Für die seit 27 Jahren kommerziell etablierte Lithium-Ionen-Technologie werden aktuell noch relativ teure, metallhaltige Aktivmaterialien (u. a. Cobalt, Nickel) benötigt. Die sehr hohen Investitionskosten im Bereich der Aktivmaterialien zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) machen daher eine Verwendung dieser Speichertechnologie in der Anwendung für großformatige stationäre Energiespeicher unattraktiv. Die eingesetzten Kathodenmaterialien, typischerweise Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxide machen insgesamt einen sehr großen Kostenanteil (ca. 21 Prozent) der Lithium-Ionen-Zelle aus. Auch die Prozessierung der Materialien zu Elektroden, bei der typischerweise organische, giftige Lösemittel eingesetzt werden, ist sehr kostenintensiv, da die Lösemittel aufgrund ihrer hohen Toxizität aufgefangen und aufgereinigt werden müssen.

Außerdem bestehen Sicherheitsbedenken bezüglich der der Toxizität der teilweise eingesetzten Komponenten Cobalt und Nickel sowie der Verwendung von fluorierten Bindern zur Herstellung der Elektroden. Zudem wird für Nickel und insbesondere Cobalt die Frage der dauerhaften Verfügbarkeit, insbesondere für die langfristig benötigten großen Mengen diskutiert.

Vor diesem Hintergrund ist die Entwicklung alternativer, kostengünstiger Batteriesysteme für die stationäre Nutzung ein wichtiger Bestandteil der Nutzbarmachung regenerativer Energiequellen. Die Dual-Kohlenstoff-Batterietechnologie könnte diese Punkte bei entsprechender zellchemischer Weiterentwicklung vereinen, daher ist diese neuartige und innovative Technologie eine vielversprechende Alternative im Bereich stationärer Energiespeicher.

Im Projekt „Entwicklung und Optimierung von Aktiv- und Inaktivkomponenten für Dual-Kohlenstoff Batteriespeichersysteme“ (kurz: Dual-Carb) soll in Zusammenarbeit mit den japanischen Projektpartnern (Kyushu Universität, Prof. Ishihara) die Weiterentwicklung des Dual-Kohlenstoff-Batteriesystems für eine mögliche Anwendung in großtechnischer, stationärer Energiespeicherung vorangetrieben werden.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Ziel des Projektes ist es, auf Basis grundlagenwissenschaftlicher Untersuchungen, die Vorgänge an Elektroden-Elektrolyt-Grenzflächen besser zu verstehen und diese Grenzflächen („Solid Electrolyte Interphase“ (SEI) auf der Anode und „Cathode Electrolyte Interphase“ (CEI) auf der Kathode) durch geeignete Elektrolytkomponenten zu optimieren. Dies umfasst den Einsatz von Additiven und auf das System zugeschnittenen Hochvoltkomponenten zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Zelle. Zudem soll im Rahmen des Projekts eine Empfehlung bezüglich geeigneter Elektrolytsysteme gegeben werden. Momentan sind vor allem zwei Elektrolyt-Typen für den Betrieb von Dual-Kohlenstoff-Batterien von Interesse, einerseits ionische Flüssigkeiten und andererseits hochkonzentrierte Carbonat-basierte Elektrolyte.

Im Anschluss soll die Dual-Kohlenstoff-Batterie nach Evaluierung des bestgeeigneten und durch Additive erweiterten Elektrolytsystems auf Praxistauglichkeit untersucht werden, indem eine Aufskalierung der Zellgröße durchgeführt wird. Hierzu soll eine Demonstratorzelle im gestapelten Pouchzellen- oder im 18650er Format hergestellt werden und bzgl. ihrer Lebensdauer und Sicherheit geprüft werden.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Im Hinblick auf stationäre Anwendungen, wie zur Speicherung von Wind- und Solarenergie, sind nicht unbedingt Batterien mit hohen Energiedichten notwendig, da die Energiespeicherkapazität nicht wie bei elektromobilen Anwendungen durch die Größe oder das Gewicht der Batterie begrenzt ist. Bei stationären Anwendungen stehen primär die Kostenstruktur und gute Leistungs- und Lebensdauereigenschaften der Elektroden zur Kompensation von Lastspitzen sowie eine hohe Betriebssicherheit im Vordergrund.

In diesem Zusammenhang stellt die Dual-Kohlenstoff-Speichertechnologie eine interessante, alternative Möglichkeit zur stationären Energiespeicherung dar und wird im Projekt „Dual-Carb“ sukzessive sowie anwendungsorientiert weiterentwickelt. Erhebliche Vorteile dieser Speichertechnologie im Gegensatz zur Lithium-Ionen-Technologie bestehen darin, dass keine teuren Übergangsmetalloxide verwendet werden, da sowohl Anode als auch Kathode aus graphitischen Kohlenstoffen bestehen, die im Idealfall aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden können, z. B. durch thermische Behandlung biologischer Materialien oder kohlenstoffhaltiger Abfallstoffe.

Des Weiteren kann die Elektrodenprozessierung der Kathode auf den Einsatz giftiger organischer Lösemittel und fluorierter Binder verzichten. Stattdessen können im Sinne der Nachhaltigkeit Wasser sowie biologische, z. B. Zellulose-basierte Binder eingesetzt werden, wie man sie mitunter in handelsüblichem Joghurt findet. Dieses Zellsystem könnte somit vor dem Hintergrund der Nutzung erneuerbarer Energien einen essenziellen Beitrag zur Schonung und nachhaltigeren Bewirtschaftung wichtiger Ressourcen bei gleichzeitiger Kostenreduktion leisten.

Bisherige Veröffentlichungen im Projekt Dual-Carb:
1) Heckmann, A.; Thienenkamp, J.; Beltrop, K.; Winter, M.; Brunklaus, G.; Placke, T., Towards high-performance dual-graphite batteries using highly concentrated organic electrolytes. Electrochimica Acta 2018, 260, 514-525.
2) Heckmann, A.; Fromm, O.; Rodehorst, U.; Münster, P.; Winter, M.; Placke, T., New insights into electrochemical anion intercalation into carbonaceous materials for dual-ion batteries: Impact of graphitization degree. Carbon 2018, 131, 201-212.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Dual-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung


Schlagworte zum Einzelprojekt

Energiespeichertyp

Dual-Ionen-Batterien Elektrodentyp Dual-Kohlenstoff (Dual-Carb)

Dual-Ionen-Batterien Kation Lithium

Dual-Ionen-Batterien Elektrolyt organisch

Dual-Ionen-Batterien Elektrolyt hochkonzentriert Carbonat-basiert

Forschungsgegenstand

Zelle

Zelle Elektroden Anode

Zelle Elektroden Kathode

Zelle Elektrolyt

Forschungsbereiche

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Demonstrator Zelle

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

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Sicherheit

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Lebensdauer

Analytik und Charakterisierung Grundlagenforschung

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft CEI Bildung

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Grenzflächen Elektrolyt-Elektrode

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft SEI Bildung

Anwendungsfelder

stationär

Projektleiter

Herr Prof. Dr. Martin Winter
MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
Corrensstr.  46
48149 Münster
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Telefon: +49 251 83-36033
Fax: +49 251 83-36032
E-Mail: martin.winter@uni-muenster.de


Alternativer Kontakt

Herr Dr. Tobias Placke
stellvertretender Projektleiter

tobias.placke@uni-muenster.de

Telefon: +49 251 83-36826
Fax: +49 251 83-36032
E-Mail: tobias.placke@uni-muenster.de


Presse

Frau Vanessa Bartling
Schlossplatz 2
48149 Münster
Telefon: +49 251 83-36720
Fax: +49 251 83-36032
E-Mail: vanessa.bartling@uni-muenster.de
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