Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Oxid-basierte Festkörperbatterien haben meist dicke Elektrolyte, um die nötige mechanische Stabilität der Zelle gewährleisten zu können, und nur dünne Kathoden, welche mittels gepulster Laserdeposition (PLD) oder Sol-gel-Beschichtung abgeschieden werden. Zwar kann mit solchen Zellen die elektrochemische Aktivität nachgewiesen und untersucht werden, jedoch ist die Energiedichte sehr gering. Die Performanz herkömmlicher Lithium-Ionen-Zellen mit flüssigen Elektrolyten kann mit diesem Zelltyp nicht erreicht werden und die Herstellung von Zellen mit hochkapazitiven Mischkathoden ist daher zwingend notwendig, um die Konkurrenzfähigkeit zu demonstrieren.

Anders als bei sulfidischen Systemen, muss bei Oxiden ein Hochtemperatur-Sinterschritt erfolgen, um eine gute Kontaktfläche zwischen Festelektrolyt und Kathodenaktivmaterial zu erzeugen. In den meisten Fällen sind bei diesen erhöhten Temperaturen chemische Reaktionen zwischen den Materialien zu beobachten, teilweise schon bei deutlich niedrigeren Temperaturen als der Zersetzungstemperatur der reinen Materialien.

Die Ziele des Jülicher Teilprojektes sind daher die Synthese keramischer Festelektrolyte sowie deren Optimierung für die Anwendung in Mischkathoden und den verschiedenen Zellkonzepten. Speziell die Kombination der Festelektrolyte mit Polymeren und Kathodenaktivmaterialen soll untersucht werden. Dabei wird in diesem Teilprojekt die gesamte Prozesskette – von der Materialsynthese über die Herstellung von Komponenten und Zellen bis zu Zelltests – in Kollaboration mit den taiwanesischen und deutschen Partnern abgedeckt.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Ein Arbeitsschwerpunkt ist die Optimierung des Festkörperelektrolyten einerseits für den Einsatz in gemischten Kathoden, andererseits für die Anwendung in polymerbasierten Festkörperzellen, die von den Projektpartnern aufgebaut werden. Zu den Aufgaben gehören hier die Entwicklung neuer Synthesewege für keramische Pulver mit optimierter Nano- oder Mikrostruktur, die Analyse der physikalischen, chemischen und elektrochemischen Eigenschaften und der Partikelmorphologie sowie die Bewertung ihrer Zuverlässigkeit bzw. Stabilität.

Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt ist der Aufbau einer Zelle mit verbesserter Architektur, um die Energiedichte zu erhöhen und die Grenzflächenwiderstände zu verringern. Eine selbsttragende Mischkathode soll entwickelt werden, sodass die resultierende Zelle Energiedichten erreicht, welche im Bereich heutiger kommerzieller LIB liegen. Für die ausgewählten Festelektrolyte und Kathoden sind hierfür mehrere Kriterien zu berücksichtigen: besonders die chemische Beständigkeit bei bzw. nahe bei deren Verarbeitungs- bzw. Sintertemperatur, Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten, Lithium-Ionen- als auch elektronische Leitfähigkeit und geringe Volumenänderungen beim Lade-Entlade-Zyklieren. Zur Herstellung von Vollzellen werden dann ein dünner Festelektrolyt (Polymer oder Glas- bzw. Keramik-Dünnschicht) und eine metallische Lithium-Anode verwendet, um die Energiedichte weiter zu maximieren.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Im Rahmen des Teilprojekts wird die praktisch erreichbare Energiedichte der produzierten Polymer-Keramik-Hybrid-Batterie und der keramischen Festkörperbatterie evaluiert. Bei positiver Bewertung kann somit ein Beitrag zur weiteren Verbesserung von Festkörperbatterien geleistet werden.

Die Ergebnisse werden in Statusberichten und wissenschaftlichen Publikationen in Fachzeitschriften zusammengefasst. Wissenschaftlicher Nachwuchs wird mit Prozessen zur Herstellung von Festkörperelektrolyten und Zellen sowie der theoretischen und experimentellen Analyse von Batterien vertraut gemacht. Die F&E-Aktivitäten tragen zum Aufbau und Erweiterung von Know-how auf dem Gebiet von Lithium-Ionen-Batterien mit Festkörperelektrolyten bei.

Im Einklang mit der Anschlussfähigkeit des Gesamtprojektes gilt auch für dieses Teilprojekt, dass die deutsche und die taiwanesische Wissenschaft, vor allem auf den Gebieten der Elektromobilität und der stationären Energiespeicherung, nachhaltig gestützt werden kann.

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.11.2017 bis 31.10.2020
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 1.350.784,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte sowie ihrer Zuverlässigkeit und ihrer langen Lebensdauer sind Lithium-Ionen-Batterien eine weit verbreitete Technologie für die Energiespeicherung. Der ständig wachsende Bedarf an leistungsstärkeren Batterien treibt die Forschung an, fortwährend an der Weiterentwicklung bestehender Batteriesysteme sowie Entwicklung neuer Batteriekonzepte zu arbeiten. Insbesondere für die Elektromobilität und für stationäre elektrische Speichersysteme im Zuge der Energiewende ist der Bedarf nach neuen, leistungsstarken und vor allem sicheren Zellkonzepten hoch.

Die Zielsetzung des Projektes EvaBatt ist daher die Erforschung von sicheren und leistungsstarken Festkörperbatterien. Dabei stehen jene Zellkonzepte im Vordergrund, die hohe Sicherheit, hohe Lade- und Entladeraten und höhere volumetrische sowie gravimetrische Energiedichten als konventionelle Lithium-Ionen-Batterien erlauben.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Mit Hilfe von theoretischen und experimentellen Untersuchungen sollen drei innovative Konzepte für Festkörperbatterien evaluiert und hinsichtlich ihres Designs und ihrer Leistung optimiert werden:
1. die monolithische Polymerbatterie (Abbildung links),
2. die Polymer-Keramik-Hybrid-Batterie und
3. die keramische Festkörperbatterie (Abbildung rechts).

Theoretische Berechnungen sollen die Grenzflächenstabilitäten und Kompatibilität der Materialien, sowie die Lithium-Ionen-Diffusion aufklären. Diese gehen Hand in Hand mit experimentellen Arbeiten zur Synthese und Entwicklung von Festkörpermaterialien, zu Kompatibilitätsstudien, zur Zellfabrikation und zur Grenzflächenanalyse. Zusammenfassend soll eine realistische, anwendungsorientierte Einschätzung der Zellkonzepte ermöglicht werden, um die Realisierung praktikabler Festköperbatterien als innovative Zukunftstechnologie für elektrochemische Speicher abschätzen zu können.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Das EvaBatt-Projekt fördert den innovativen Wissensaustausch zwischen Deutschland und Taiwan, sodass die Realisierung neuer Festkörperbatteriekonzepte vorwärts getrieben und die Kommerzialisierung von Festkörperbatterien beschleunigt wird. Die Ergebnisse werden der Öffentlichkeit in Form von Publikationen, öffentlichen Präsentationen und Berichten an den Projektträger (bzw. BMBF) zur Verfügung gestellt. Die Entwicklung von Festkörperbatterien mit hohen Energie- sowie Leistungsdichten und hoher Sicherheit leistet einen wichtigen Beitrag, um aktuelle politische Ziele zu erreichen, wie eine technologische und ökonomische Führungsrolle in der Entwicklung der Elektromobilität, die technologische Umsetzung der Energiewende sowie die Einhaltung von Klimaabkommen zur Kohlendioxid-Emission. Die im EvaBatt-Projekt vorgeschlagenen Batteriekonzepte werden entwickelt, um die Nutzung der Elektromobilität und der stationären elektrochemischen Energiespeicherung auszuweiten.

Galerie

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

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

Teilprojektleiter

Herr Prof. Dr. Olivier Guillon
Forschungszentrum Jülich GmbH - Institut für Energie- und Klimaforschung - Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
Wilhelm-Johnen-Str. 
52425 Jülich

Telefon: +49 2461 61-5181
E-Mail: o.guillon@fz-juelich.de

Verbundprojektleiter

Herr Prof. Dr. Olivier Guillon
Forschungszentrum Jülich GmbH
Institut für Energie- und Klima-forschung, Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
Wilhelm-Johnen-Str. 52425 Jülich
Telefon: +49 2461 61-5181

Pressekontakt für Teilprojekt

Frau Dr. Regine Panknin
Forschungszentrum Jülich GmbH - Institut für Energie- und Klimaforschung - Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
52425 Jülich
Telefon: +49 2461 61-9054
Fax: +49 2461 61-4666
E-Mail: r.panknin@fz-juelich.de

Pressekontakt für Verbundprojekt

Frau Dr. Regine Panknin
Forschungszentrum Jülich GmbH - Institut für Energie- und Klimaforschung - Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
52425 Jülich
Telefon: +49 2461 61-9054
Fax: +49 2461 61-4666
E-Mail: r.panknin@fz-juelich.de