NanoBat
Nanostrukturierte Batteriematerialien
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 €
Projektpartner Teilprojekte auf Karte zeigen
Teilprojekt 1
Sputterdeposition und Charakterisierung neuartiger Elektrodenmaterialien mit elektrochemischen und ortshochauflösenden Methoden
Förderkennzeichen: 03ET6104A
MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
48149 Münster
zum Internetauftritt
Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Institut für Materialphysik
48149 Münster
zum Internetauftritt
Teilprojekt 2
Beschichtung von Aktivmaterialien für Elektroden mit hoher Effizienz und Lebensdauer
Förderkennzeichen: 03ET6104B
Forschungszentrum Jülich GmbH - Institut für Energie- und Klimaforschung - Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1), Elektrochemische Speicher
52425 Jülich
zum Internetauftritt
Teilprojekt 3
Entwicklung und wirtschaftliche Bewertung technisch nutzbarer Beschichtungsprozesse
Förderkennzeichen: 03ET6104C
Aixtron SE
52134 Herzogenrath
zum Internetauftritt
Teilprojekt 4
Elektrische Charakterisierung von Lithium-Ionen-Zellen mit nanostrukturierten Batteriematerialien
Förderkennzeichen: 03ET6104D
BatterieIngenieure GmbH
52068 Aachen
zum Internetauftritt
Fördergeber: BMWi, Referat IIC6
Projektträger: PT-J
Leistungsplansystematik:
EA2312 Elektrochemische Speicher - Lithium-basierte Batterien
Förderprofil:
Technologie- und Innovationsförderung
Förderart:
PDIR
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
Schlagworte der Teilprojekte des Verbundprojekts
Teilprojekt 1
Energiespeichertyp
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Anode LTO
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Anode silicium-haltig
Forschungsgegenstand
Zelle Elektroden Anode
Zelle Elektroden Anode Aktivmaterial
Zelle Elektroden Anode Beschichtung
Zelle Elektroden Kathode Aktivmaterial
Forschungsbereiche
Sicherheit Bauteilcharakterisierung
Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Partikelvorbehandlung Sputterabscheidung
Produktion Materialherstellung Aktivmaterial
Produktion Materialherstellung Aktivmaterial Materialveredelung
Produktion Materialherstellung Maßstab Labor
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Rohstoff- und Materialauswahl bzw. -identifizierung
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Konzeptentwicklung
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Anforderungen an eingesetzte Materialien
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Struktur-Eigenschaftsmodell
Material-, Bauteil- und Systementwicklung verbesserte Eigenschaften Stabilität elektrochemische
Material-, Bauteil- und Systementwicklung Demonstrator Zelle
Analytik und Charakterisierung Methode physikalisch Spektroskopie Elektronen-Energieverlustspektroskopie
Analytik und Charakterisierung Methode physikalisch Spektroskopie energiedispersive Röntgenspektroskopie
Analytik und Charakterisierung Methode physikalisch Mikroskopie Rasterelektronen
Analytik und Charakterisierung Methode physikalisch Mikroskopie Transmissionselektronen hochauflösend
Analytik und Charakterisierung Methode physikalisch Spektroskopie Röntgenphotoelektronenspektroskopie
Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch Cyclovoltammetrie
Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch Impedanzspektroskopie
Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma
Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung
Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Alterung
Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Mechanismus Degradation
Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Struktur
Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Struktur-Eigenschaftsbeziehungen
Anwendungsfelder
noch nicht vorhersehbar
Förderempfänger
Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität
Teilprojekt 2
Energiespeichertyp
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Dünnschichtelektrode
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode LCO
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode Polyanionische Kathodenmaterialien Phosphate LFP
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode Lithium/Mangan-reich LNMO
Forschungsgegenstand
Zelle Elektroden Kathode
Zelle Elektroden Kathode Beschichtung
Forschungsbereiche
Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Partikelvorbehandlung
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse
Material-, Bauteil- und Systementwicklung verbesserte Eigenschaften coulombsche Effizienz
Material-, Bauteil- und Systementwicklung verbesserte Eigenschaften Energiedichte
Material-, Bauteil- und Systementwicklung verbesserte Eigenschaften Lebensdauer
Material-, Bauteil- und Systementwicklung verbesserte Eigenschaften Stabilität mechanische
Material-, Bauteil- und Systementwicklung verbesserte Eigenschaften Stabilität elektrochemische
Material-, Bauteil- und Systementwicklung Bauteil- und Komponentenentwicklung Elektrode
Material-, Bauteil- und Systementwicklung Materialentwicklung und -synthese Beschichtungsmaterialien
Analytik und Charakterisierung Methode physikalisch Mikroskopie Rasterelektronen
Analytik und Charakterisierung Methode physikalisch Röntgendiffraktometrie
Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch Massenspektrometrie Sekundärionen (TOF-SIMS)
Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Coulomb-Effizienz
Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Leitfähigkeit
Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Stabilität elektrochemische
Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Lade- und Entladeverhalten
Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Stabilitätsgrenze mechanische
Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Struktur
Anwendungsfelder
noch nicht vorhersehbar
Förderempfänger
Forschungs- und Entwicklungseinrichtung außeruniversitäre Einrichtung
Teilprojekt 3
Energiespeichertyp
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien
Forschungsgegenstand
Zelle Elektroden Anode Aktivmaterial
Zelle Elektroden Anode Beschichtung
Forschungsbereiche
Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Partikelvorbehandlung
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Rohstoff- und Materialauswahl bzw. -identifizierung
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Kostenmodell
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Machbarkeitsstudie
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Konzeptentwicklung
Anwendungsfelder
mobil
stationär
Förderempfänger
Industrie Anlagen-, Maschinenbau und Automatisierung Halbleiter
Teilprojekt 4
Energiespeichertyp
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien
Forschungsgegenstand
Zelle
Zelle Elektroden Kathode Beschichtung
Zelle Elektroden Kathode Aktivmaterial
Forschungsbereiche
Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch
Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung
Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Alterung
Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Benchmark-Test
Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Entwicklung von Testmethoden Testprogramme
Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Entwicklung von Testmethoden Testaufbau
Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Performance
Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Stabilität
Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Zelltest Halbzelle
Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Zelltest Vollzelle
Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Zelltest Experimentalzelle
Anwendungsfelder
mobil
stationär
Förderempfänger
Dienstleister Ingenieurleistungen und Projektierung Energiespeichersysteme
Dienstleister Ingenieurleistungen und Projektierung Modellierung und Simulation
Dienstleister Ingenieurleistungen und Projektierung Prüfstandbetrieb
Dienstleister Prüfen, Testen, Verifizieren und Zertifizieren
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
E-Mail: martin.winter@uni-muenster.de
Pressekontakt
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