Kurzbeschreibung des Teilprojektes

• Identifikation geeigneter Materialien und Präparation planarer Modellelektroden (Anoden) mittels Magnetron-Sputterdeposition
• Synthese und Deposition nanostrukturierter Coatings, Abscheidung auf Modellelektroden und Pulvermaterial
• Erweiterung des Sputterlabors um eine Magnetron-Sputteranlage zur Beschichtung von Pulvermaterial
• Analytische und elektrochemische Charakterisierung (z. B. via CV, EIS, XPS, ICP)
• Mikroskopische und mechanische Charakterisierung (z. B. via SEM, TEM, EELS, EDX)
• Modellentwicklung zur Beschreibung des Einflusses unterschiedlicher Coatings
• Entwicklung von Batterien auf Basis nanostrukturierter Materialien, Herstellung von Elektroden sowie von Halb- und Vollzellen
• Projektkoordination

Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Dem flächendeckenden Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in der Elektromobilität bzw. der stationären Energiespeicherung stehen derzeit noch ihre zu geringen Energiedichten, Lebensdauern und Lade-/Entladeraten entgegen. Auch Sicherheitsaspekte und ökologische Fragestellungen spielen – insbesondere beim Einsatz Nickel-reicher Übergangsmetalloxide – in der Anwendung eine immer größere Rolle.

Ziel des Projektes ist nicht die Synthese neuartiger Aktivmaterialien, sondern die Entwicklung funktionaler Beschichtungen für bereits großtechnisch eingesetzte Anoden- und Kathodenmaterialien, die zu einer gezielten Verbesserung der Eigenschaften führen soll. Im Folgenden werden einige Beispiele angeführt, die das Potenzial nanostrukturierter Beschichtungen verdeutlichen.

Zur Steigerung der Energiedichte wird neben dem Einsatz ultradicker Elektroden die Verwendung hochkapazitiver Aktivmaterialien wie etwa Silicium diskutiert. Gegenüber Graphit besitzt Silicium eine wesentlich höhere spezifische Kapazität, jedoch erfährt das Material während der elektrochemischen Zyklisierung große Volumenänderungen, was aufgrund der damit verbundenen mechanischen Spannungen schon nach wenigen Zyklen zu einer starken Elektrodendegradation führt. Der Einsatz nanostrukturierter Elektrodenmaterialien wird als ein möglicher Ansatz diskutiert, diesen Prozessen entgegenzuwirken.

Zur Steigerung der Lebensdauer und zwecks Realisierung hoher Lade-/Entladeraten wird in vielen Fällen die Verwendung kohlenstoffhaltiger Beschichtungen zur Erhöhung der elektronischen Leitfähigkeit der Aktivmaterialpartikel favorisiert.

Im Bereich Nickel-reicher Hochenergiematerialien (NMC622, NMC811) ist für die wässrige und damit umweltfreundliche Elektrodenformulierung eine Stabilisierung der Partikel mittels nanostrukturierter Beschichtungen ein vielversprechender Ansatz.

Neben der Identifikation und Abscheidung funktionaler Coatings zur Erhöhung von Lebensdauer und Sicherheit liegt ein Ziel des Projektes auf der Analyse der zugrundeliegenden Mechanismen an den Grenzflächen zwischen Aktivmaterial und Beschichtung, was mittels hochauflösender und analytischer Transmissionselektronenmikroskopie auf (sub-)atomarer Skala adressiert wird.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Im Rahmen des Teilprojektes steht zunächst die Identifikation geeigneter Anoden- und Kathodenmaterialien im Vordergrund, die im weiteren Projektverlauf mit funktionalen Coatings versehen werden sollen. Hierbei sind technische Details zur Herstellung der Materialien selbst sowie ihrer Kompatibilität hinsichtlich der Anordnung von Schichtsystem zu beachten. Zwecks eingehender Grundcharakterisierung werden zunächst planare Modellelektroden (vorwiegend Anoden) mittels Magnetron-Sputterdeposition hergestellt, die im weiteren Projektverlauf mit ausgewählten Nanomaterialien beschichtet werden, sodass der Einfluss der unterschiedlichen Beschichtungen auf die Aktivmaterialeigenschaften quantifiziert werden kann.

Das Forschungszentrum Jülich (FZJ) befasst sich darüber hinaus auch mit Sol-Gel Prozessen zur Abscheidung funktionaler Schichten, sodass die gewonnenen Erkenntnisse prozessübergreifend vergleichen werden können.

Zur Übertragung der Prozesse von den Modellelektroden auf technisch relevante Pulvermaterialien wird durch das MEET Batterieforschungszentrum eine spezielle Anlage beschafft, welche die Beschichtung von Pulvermaterial mittels Sputterdeposition ermöglicht. Ziel ist es dabei, dem Industriepartner Aixtron SE technisch relevante wie auch wirtschaftlich geeignete Beschichtungsmaterialien und -prozesse für eine Hochskalierung mittels CVD-Technik vorzuschlagen, sodass letztlich auch für die (Pilot-)Fertigung relevante Mengen von Elektrodenmaterial modifiziert werden können.

Das Teilprojekt besitzt neben der Materialherstellung und -modifikation zudem eine sehr starke analytische Komponente, die neben vielfältigen elektrochemischen Testverfahren auch umfangreiche strukturelle Untersuchungen umfasst; der Fokus liegt auf der Transmissionselektronenmikroskopie an Modellelektroden und Pulvermaterial. Die Analysen sollen zum tieferen Verständnis der Wirkungsweise der Beschichtungen beitragen und sich beispielsweise auf die Ausbildung und Beschaffenheit von Grenzflächen, die Klärung von Degradations- und Alterungsmechanismen sowie die Analyse mechanischer Spannungen im Material konzentrieren.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die Zielsetzung des Teilprojektes besteht darin, kommerziell verfügbare Aktivmaterialien mittels definierter Oberflächenbeschichtungen hinsichtlich ihrer speziellen Anwendung zu optimieren. Aufgrund der Tatsache, dass keine Materialien synthetisiert, sondern bekannte Referenzmaterialien zugrunde liegen, sind Vergleichsdaten unbehandelter Materialien verfügbar. Mögliche Verbesserungen im elektrochemischen Verhalten können daher klar den funktionalen Coatings zugeordnet werden. Mit der Optimierung der elektrochemischen Langzeitstabilität, der Pulsstabilität oder der Kompatibilität der Materialien gegenüber alternativen und möglichst umweltfreundlichen Herstellungsroutinen ist ein klarer Anwendungsbezug gegeben.

Ein besonders hohes wissenschaftliches Potenzial besitzen die hochauflösenden strukturellen Untersuchungen mittels HRTEM, da diese Methode auf dem Gebiet der Batterietechnologie derzeit erst etabliert wird. Die Untersuchung von Alterungs- und Sicherheitsaspekten ist ebenfalls ein wichtiger Schwerpunkt der Forschung.

Mit der Identifikation möglicher Coatings und dem Verständnis ihrer Wirkungsweise sollen schließlich wichtige Erkenntnisse an die materialherstellende Industrie geliefert werden. Konkret sollen auf Grundlage der im Teilprojekt hergestellten nanostrukturierten Aktivmaterialien gegen Projektende einzelne Elektroden und Zellen im Pilotmaßstab gefertigt werden, um etwaige Leistungssteigerungen im Anwendungsfall zu demonstrieren und das Potenzial für ein späteres Hochskalieren der Materialien und Prozesse aufzuzeigen. Mit Hilfe der im Teilprojekt gewonnen Resultate werden daher nicht nur mögliche Kombinationen von Aktivmaterial und Coating vorgeschlagen, sondern auch deren Wirkmechanismen beleuchtet und ein Transfer auf Prozesse industrieller Größenordnung vorgeschlagen. Zur Realisierung dieser Ansätze ist das Konsortium mit erfahrenen Partnern aus Wissenschaft und Industrie stark und interdisziplinär aufgestellt. Es können innerhalb des Konsortiums alle Prozesse von der Materialoptimierung und der Analyse bis hin zur Hochskalierung und der Betrachtung ökonomischer Aspekte abgedeckt werden.

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.12.2017 bis 30.11.2020
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 3.005.326,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: 4.178.775,00 €

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Unter Koordination der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster arbeiten im Rahmen von NanoBat Forscher verschiedener Disziplinen an der Optimierung von Aktivmaterialien (Anode/Kathode), die in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden, mittels nanostrukturierter Beschichtungen. Neben dem MEET und dem Institut für Materialphysik der WWU sind das Forschungszentrum Jülich (FZJ) sowie die Industriepartner Aixtron SE und BatterieIngenieure GmbH (BIG) an diesem Projekt beteiligt.

Lithium-Ionen-Batterien spielen eine entscheidende Rolle im Bereich der Elektromobilität und der stationären Energiespeicherung. Gegen ihren flächendeckenden und rentablen Einsatz sprechen jedoch ihre derzeit noch zu geringe Energiedichte, Effizienz und Lebensdauer. In diesem Projekt sollen daher Komponenten und Fertigungsprozesse zur Herstellung verbesserter Batterien entwickelt werden. Konkret geht es um die Etablierung von Techniken zur Herstellung hochstabiler funktionaler und gleichzeitig ultradünner Beschichtungen von Anoden- und Kathodenmaterialien, die ihrerseits die Oberflächeneigenschaften der Aktivmaterialien optimieren und deren elektrochemische Eigenschaften entscheidend verbessern. Besondere Ziele sind neben der Steigerung der Lebensdauer beispielsweise die Realisierung hoher Lade-/Entladeraten und die Optimierung von Alterungs- und Sicherheitseigenschaften.

Als Forschungseinrichtungen befassen sich die WWU und das FZJ mit der Herstellung von Beschichtungen mittels Sputterdeposition und Sol-Gel-Prozessen. Mit dem Institut für Materialphysik gehören Spezialisten der höchstauflösenden Transmissionselektronenmikroskopie zum Konsortium, deren Hauptaufgabe die Charakterisierung der Beschichtungen und Grenzflächen auf (sub-)atomarer Skala ist. Basierend auf den teils noch zu etablierenden Techniken im Labormaßstab und der engen Kooperation mit den Industriepartnern sollen explizit großtechnische Verfahren entwickelt werden, die eine wirtschaftliche Abscheidung der Coatings im industriellen Maßstab ermöglichen (Fokus: CVD, also Gasphasenabscheidung). Nach erfolgreicher Demonstration der Funktionalität der beschichteten Aktivmaterialien und auf Basis wirtschaftlicher Kalkulationen soll schließlich eine gezielte Markteinführung der neuartigen Materialien bzw. Beschichtungsprozesse vorangetrieben werden.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Zu Projektbeginn steht zunächst die Identifizierung geeigneter Aktivmaterialien (Anode/Kathode) im Vordergrund, die im Projektverlauf mit verschiedenen Coatings versehen werden sollen. Hierbei ist zu erwähnen, dass der Fokus auf der Optimierung bereits kommerziell eingesetzter Materialien liegt und nicht etwa die Synthese neuartiger Substanzen verfolgt wird.

Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie und zur grundlegenden Probencharakterisierung werden zunächst planare Modellsysteme aus Aktivmaterial und Beschichtung hergestellt, etwa mittels Sputterdeposition (MEET, FZJ). Im weiteren Verlauf sollen neuartige Coatings entwickelt und optimiert werden. Ferner werden Methoden erarbeitet, die es erlauben, die ausgewählten Materialien als homogene Dünnschichten abzuscheiden und eine Übertragbarkeit auf industrielle Maßstäbe zulassen. Mittels Sputterdeposition und Sol-Gel-Verfahren (FZJ) werden grundlegende Prozessparameter definiert, die im Projektverlauf in die Planung großtechnischer Prozesse (CVD-Gasphasenabscheidung, AIXTRON) einfließen. Nach der Identifizierung besonders geeigneter Materialien werden schließlich unter Zuhilfenahme weitreichender technischer Erweiterungen der Laborausstattungen (Sputteranlage, CVD-Wirbelstromreaktor) praktische Verfahren zur Bereitstellung technisch relevanter Mengen beschichteter Aktivmaterialien vorgestellt.

Projektbegleitend werden Modellelektroden und beschichtete Pulver eingehend charakterisiert, wobei neben umfangreichen elektrochemischen und analytischen Methoden insbesondere strukturaufklärende Untersuchungen (HRTEM, EELS etc.) zum Einsatz kommen. Dank der höchstauflösenden Methoden lassen sich Informationen auf atomarer Skala ableiten und Analysen an Grenzschichten (z. B. zwischen Aktivmaterial und Coating) realisieren. Die hergestellten Materialien werden anschließend unter praxisnahen Bedingungen im Labormaßstab getestet (BIG, MEET). Elektrochemische Tests sollen Auskunft über zyklische und kalendarische Lebensdauern sowie Raten- und Temperaturstabilität der modifizierten Materialien geben.

Zwecks Herstellung eines Praxisbezugs werden die zentralen Ergebnisse des Vorhabens projektbegleitend unter verfahrenstechnischen und betriebswirtschaftlichen Aspekten beleuchtet. Besonderes Ziel ist dabei die Erarbeitung technischer Konzepte, die eine großtechnische Herstellung der beschichteten Aktivmaterialien bei möglichst geringen Kosten erlauben.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Das Konsortium arbeitet an einem Beitrag zur signifikanten Verbesserung derzeit verfügbarer Lithium-Ionen-Batterien mit dem Ziel, wichtige Impulse für einen steigenden Anteil deutscher Unternehmen an der großtechnischen Elektroden- bzw. Zellfertigung zu liefern.

Im Detail ist geplant, die Ergebnisse des Vorhabens sowohl in wissenschaftlicher als auch in wirtschaftlicher Hinsicht zu verwerten. So sollen die Resultate des Vorhabens kurz- und mittelfristig im Rahmen von Patenanmeldungen verwertet werden – mit besonderem Fokus auf der Synthese hochspezialisierter Nanomaterialien bzw. großtechnischer Beschichtungsprozesse von Pulvermaterialien. Die aus dem Vorhaben gewonnen physikalisch-chemischen Erkenntnisse sollen ferner in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht und auf internationalen Konferenzen präsentiert werden. Darüber hinaus ist geplant, Informationen und Ergebnisse im Rahmen eines populärwissenschaftlichen Webauftrittes zugänglich zu machen.

Da der Fokus neben der Materialentwicklung auch auf dem Technologietransfer vom Labor- auf den Industriemaßstab (Entwicklung großtechnischer Beschichtungskonzepte) liegt, werden die neu entwickelten Nanomaterialien mittel- und langfristig potenziell Anwendung im Bereich der Elektromobilität sowie der stationären Energiespeicherung finden. Aufgrund seiner Relevanz für diese beiden Schlüsseltechnologien wird das Vorhaben einen wichtigen Beitrag zur Steigerung der Ressourceneffizienz und damit zur Energiewende leisten. So können die Ergebnisse letztlich dazu beitragen, die Umsetzung neuer Mobilitätskonzepte, die Reduktion der Kohelndioxid-Emissionen sowie die Unabhängigkeit von fossilen und atomaren Energieträgern voranzutreiben.

Zur Realisierung dieser Ziele muss im Anschluss an das Vorhaben die Erprobung der neuen Nanomaterialien im Vordergrund stehen. So ist etwa zu klären, ob die Funktionalität der Materialien in Kombination mit weiteren modernen Batteriekomponenten (z. B. Polymerelektrolyte, alternative Binder) noch gesteigert werden kann. Auch die Möglichkeit des Technologietransfers auf alternative Batterietechnologien sollte nach Projektende in zukünftigen Forschungsvorhaben evaluiert werden.

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar, mobil, stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung, Industrie, Dienstleister

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

Teilprojektleiter

Herr Prof. Dr. Martin Winter
MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
Corrensstr.  46
48149 Münster

Telefon: +49 251 83-36031
Fax: +49 251 83-36032
E-Mail: martin.winter@uni-muenster.de

Verbundprojektleiter

Herr Prof. Dr. Martin Winter
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
Corrensstr. 46
48149 Münster
Telefon: +49 251 83-36031
Fax: +49 251 83-36032

Pressekontakt für Teilprojekt

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

Pressekontakt für Verbundprojekt

Herr Prof. Dr. Martin Winter
Corrensstr. 46
48149 Münster
Telefon: +49 251 83-36031
Fax: +49 251 83-36032
E-Mail: martin.winter@uni-muenster.de