HiT-Cell

Entwicklung einer temperaturstabilen Lithium-Ionen-Zelle

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.01.2018 bis 31.12.2020
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 1.647.511,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

 

Teilprojekt 1

Förderkennzeichen: 03XP0113A

EAS Batteries GmbH
99734 Nordhausen
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Teilprojekt 2

Separatoren mit verbesserter Temperaturstabilität

Förderkennzeichen: 03XP0113C

Treofan Germany GmbH & Co. KG - Neunkirchen
66539 Neunkirchen
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Teilprojekt 3

Anforderungen an die temperaturstabile Zelle, Pouchzellfertigung und Analyse

Förderkennzeichen: 03XP0113D

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Fakultät 6 - Elektrotechnik und Informationstechnik - Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
52066 Aachen
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Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Fakultät für Maschinenwesen - Lehrstuhl für Production Engineering of E-Mobility Components
52074 Aachen
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Teilprojekt 4

Förderkennzeichen: 03XP0113E

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
48149 Münster
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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

Aktuell verfügbare Batteriezellen erfordern bei Anwendungen mit hohen spezifischen Leistungen und Bauraumvorgaben eine sehr aufwändige Peripherie für das thermische Management. Ziel des Vorhabens HiT-Cell ist dementsprechend die Entwicklung einer Batteriezelle, die mit deutlich weniger Aufwand in Hochleistungsanwendungen integriert werden kann.

Das Ergebnis ist eine Batteriezelle der nächsten Generation, die bei deutlich höheren Temperaturen betrieben werden kann und deren Integration ins Gesamtsystem weniger Peripheriekomponenten und -komplexität erfordert. Dafür werden die inaktiven Komponenten Elektrolyt und Separator, sowie das Zelldesign der Batteriezelle auf thermische Stabilität optimiert, ohne die operative Leistung bei niedrigeren Temperaturen negativ zu beeinflussen.

Das Ziel soll eine neue Batteriezelle sein, die bei Temperaturen bis 100 °C betrieben werden kann und deren Integration ins Gesamtsystem weniger Peripheriekomponenten und -komplexität erfordert. Auf diese Weise sollen neue Anwendungsfelder erschlossen werden, bei denen eine starke Kühlung aus technischen oder ökonomischen Gründen bislang nicht möglich war. Die zentrale Frage dieses Projektes ist daher, wie eine Batteriezelle unter Beachtung der Sicherheit, Lebensdauer und Kosten so gestaltet werden kann, dass keine komplizierte Kühlung benötigt wird. Dabei steht die Stabilität der Lithium-Ionen-Batterie (LIB) bei erhöhten Temperaturen und die technische sowie wirtschaftliche Umsetzbarkeit im Fokus des Projektes.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

In diesem Forschungsvorhaben sind mehrere Arbeitsziele definiert.

Die thermisch anfälligste Zellkomponente, der Elektrolyt, soll durch das MEET schrittweise optimiert und für Hochtemperaturanwendungen ausgelegt werden. Dabei soll sowohl der Einfluss von Elektrolytadditiven als auch die Variation verschiedener Lösemittel und Leitsalze (z. B. LiTFSI) auf die Temperaturstabilität untersucht werden.

Auch Variationen der Elektrodenmaterialien (Graphit und Lithium-Titanat auf Anodenseite und z. B. NCA, NMC und LFP auf Kathodenseite) und Geometrieparameter auf Seiten der Aktivmasse und Oberflächenbeschaffenheit werden durch EAS und MEET untersucht, um verschiedene Temperaturziele zu erreichen.

Für Batteriezellen, die für hohe Temperaturbereiche freigegeben werden sollen, ergeben sich auch neue Anforderungen an den Separator. Zum einen ist es wichtig, die Verlustleistung, die durch den Betrieb im Separator erzeugt wird, möglichst gering zu halten. Zum anderen muss der Separator auch bei hohen Temperaturen dauerhaft stabil sein und darf nicht schrumpfen. Durch Treofan soll ein besonders verlustarmer und thermisch stabiler Separator im Rahmen des Projekts entwickelt werden.

Die Bewertung der einzelnen Zellkonzepte findet dann zunächst auf Laborzell-Level im Zellsystem-Zusammenspiel statt. Am ISEA werden dafür einlagige Labor-Pouchzellen aufgebaut und auf ihr Verhalten bei hohen Temperaturen untersucht. Auch kommerziell verfügbare Systeme werden verglichen. Im Anschluss an die Belastungstests werden die Laborzellen geöffnet und die Komponenten im Post-mortem-Labor untersucht.

Auch die Integration hin zum Endprodukt Zelle wird im Rahmen des Forschungsprojekts durch EAS und PEM durchgeführt. EAS wird gewickelte zylindrische Zellen fertigen, während das PEM mit den gleichen Materialien Pouchzellen fertigen wird. Durch das PEM und das ISEA wird letztlich auch der Einfluss der Geometrie (gewickelte Zylinderzelle vs. gestapelte Pouchzelle) auf das Produkt untersucht. Gerade für die thermische Ankopplung an aktive und passive Kühlperipherie und die Stromratenfähigkeit ist die Geometrie von entscheidender Bedeutung. Die so entwickelten Lösungen sollen durch ISEA und PEM ebenfalls ökonomisch mit aktuell verfügbaren Kühlkonzepten und Batterietechnologien verglichen werden.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die zunehmende Dekarbonisierung des Energiesystems erfordert mehr und mehr den Einsatz von elektrischer Energie und Energiespeichern. Diese gesellschaftlichen Vorgaben bedeuten allerdings auch, dass die Weiterentwicklung der Batterietechnologie in Deutschland wichtig ist, um den internationalen Anschluss und somit den wirtschaftlichen und technischen Einfluss nicht zu verlieren. Für den steigenden Einsatz von Strom als Endenergie und die damit verbundene Verwendung von Batterien sowohl in stationären als auch mobilen Anwendungen sind Lithium-Ionen-Energiespeicher aktuell und wohl auch mittelfristig die beste verfügbare Speichertechnologie. Insbesondere der Ausbau der Fertigungskapazitäten für die Elektromobilität hat gerade in den vergangenen beiden Jahren zu einer erheblichen Preisreduktion geführt, durch welche die LIB für immer mehr Anwendungen auch außerhalb von Elektrofahrzeugen hochattraktiv werden. Die Elektrifizierung des Antriebsstranges (z. B. Hybride, Schnellladung) und die zunehmende Substitution von kabelgebundenen durch batteriebetriebene Lösungen (z. B. Powertools, Staubsauger, Kettensäge, Laubbläser) erfordern eine stetige Weiterentwicklung der Energiespeichertechnologie, um verbesserte Produkte anbieten und somit wettbewerbsfähig bleiben zu können.

Das Projekt trägt zur Entwicklung einer leistungsfähigen und sicheren Batterie bei, die durch die Integration einer temperaturstabilen Zelle auf ein aufwändiges und teures Kühlsystem verzichtet. Ein Durchbruch in dieser Technologie wird viele neue Anwendungsbereiche für Batterien erschließen und hat das Potenzial, auf Systemlevel die Kosten durch Einsparung von Peripherie und Komplexität zu senken. Dadurch können deutsche Hersteller elektrifizierter Nutzfahrzeuge wettbewerbsfähige Elektroautos auf dem Markt anbieten. Darüber hinaus wird durch das Vorhaben das Ziel einer nationalen Zellfertigung in Deutschland gestärkt.


Galerie

HiT-Cell-Schematik: anvisierte Arbeitsbereiche

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil, stationär

Förderempfänger

Industrie, Forschungs- und Entwicklungseinrichtung


Schlagworte der Teilprojekte des Verbundprojekts

Teilprojekt 1

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien temperatur-stabil bis 100 °C

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode Polyanionische Kathodenmaterialien Phosphate LFP

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Anode Graphite

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Industrie Zellhersteller

Teilprojekt 2

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Separator biaxial verstrecktes Polypropylen

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien temperatur-stabil bis 100 °C

Forschungsgegenstand

Zelle Separator temperatur-stabil

Zelle Separator Scavenger Zellgiftneutralisation oder -absorption

Forschungsbereiche

Produktion Komponentenfertigung Separator Coextrusion mit Hybridschichten

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Testproduktion

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Materialentwicklung und -synthese Inaktivmaterial

Anwendungsfelder

mobil

stationär

Förderempfänger

Industrie chemische Industrie Polymere

Teilprojekt 3

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien temperatur-stabil bis 100 °C

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Format Pouch

Forschungsgegenstand

Zelle

Forschungsbereiche

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Konzeptentwicklung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Machbarkeitsstudie

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Zelle Zellkonzept

Analytik und Charakterisierung Methode Post-mortem-Analyse

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Alterung

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Kostenbewertung

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Teilprojekt 4

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien temperatur-stabil bis 100 °C

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode Polyanionische Kathodenmaterialien Phosphate LFP

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Anode Graphite

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Verbundprojektleiter

Herr Michael Deutmeyer
EAS Batteries GmbH
Lokomotivenstr. 21
99734 Nordhausen

Telefon: +49 3631 46703260
Fax: +49 3631 46703228
E-Mail: michael.deutmeyer@eas-batteries.com


Pressekontakt

Herr Michael Deutmeyer
Lokomotivenstr. 21
99734 Nordhausen
Telefon: +49 3631 46703260
Fax: +49 3631 46703228
E-Mail: michael.deutmeyer@eas-batteries.com

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