HiPoLiS

Ein (sich) abhebendes Elektroden- und Zellkonzept für High-Power-Li-S-Batterien

Teilprojekt 1

„Komponentenentwicklung für High-Power-Li-S-Batterien“

Laufzeit: 01.01.2019 bis 31.12.2021

Fördersumme: 602.095,00 €

Projektvolumen: 602.095,00 €
 

ausführende Stelle:

Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
Winterbergstr.  23
01277 Dresden

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 523

Förderkennzeichen: 03XP0178A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Teilprojektes

  • Komponentenentwicklung für High-Power-Li-S-Batterien
  • Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Li-S-Batteriezellen durch ein innovatives, aber praxisnahes Elektroden- und Zelldesign
  • Umsetzung der neuen Ansätze von Elektrolyten und Elektroden in Li-S-Prototypzellen und Demonstration der Fluganwendung mit verlängerter Flugdauer mit dem Partner Wingcopter
  • Untersuchungen zum Einfluss des Elektrolyten auf Ionentransport und Kathoden-Konversionskinetik und Ableiten von Elektrolytrezepturen für Hochleistungszellen


Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Lithium-Schwefel-(Li-S)-Batteriezellen erreichen bereits gravimetrische Energiedichten bis 400 Wh/kg und sind in dieser Eigenschaft herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien deutlich überlegen. Insbesondere Fluganwendungen profitieren von diesem Vorteil und erste Demonstrationsprojekte nutzen Li-S-Batterien als Speicher und für den elektrischen Antrieb von Pseudosatelliten. Mit dem wachsenden Markt (Verdopplung bis 2020) der unbemannten Fluggeräte (UAV: unmanned aerial vehicle) steigt auch der Bedarf an leichten, leistungsfähigen Batterien.

Mit dem Einsatz von Li-S-Zellen (350 bis 450 Wh/kg) in UAV wäre gegenüber Lithium-Ionen-Zellen (150 bis 250 Wh/kg) eine Verdopplung der autarken Flugzeit und somit deutliche Kostenersparnisse sowie breitere Einsatzbereiche für den Anwender möglich. Jedoch verhindert bisher die geringe Technologiereife eine breite Anwendung der Li-S-Zellen.

Gesamtziel des Teilvorhabens ist insbesondere die Leistungsverbesserung der Li-S-Zellen, da sie bisher unzureichend und somit der Einsatz dieser Batterien in Senkrechtstartern (Quadrocopter o. ä.) zunächst ausgeschlossen ist. Eine umfangreiche Literaturrecherche (1992 Artikel) ergab, dass wenig zu den Einflussgrößen auf die Leistungsfähigkeit der Zellen bekannt ist. Zudem sind Untersuchungen an Knopfzellen oft irreführend (Angabe von C-Raten, Experimente mit hohem Elektrolytüberschuss und geringer Aktivmaterialbeladung), sodass sich auch ein Bedarf zur wissenschaftlichen Aufarbeitung ergibt.

Die Fokussierung auf Li-S-Zellen mit einer besonders hohen Leistungsdichte würde außerdem zu einer erheblichen Verkürzung von Feedback-Schleifen in der Materialentwicklung führen. Somit birgt gerade die Leistungsverbesserung („High Power“-Zellen) ein großes Potenzial, um die Li-S-Speichertechnologie im Allgemeinen schneller zur Marktreife zu führen.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

An diesen Punkten setzt das Teilvorhaben ganzheitlich und auf Prototyp-Niveau an, sodass sich die folgenden wesentliche Arbeitsschwerpunkte für das Fraunhofer IWS ergeben.

Wissenschaftliche Arbeitsschwerpunkte
• Aufbau eines Grundlagenverständnisses für Einflussgrößen auf den Innenwiderstand von Li-S-Zellen und Kathoden-Konversionsmechanismen in neuen Elektrolytsystemen
• Modell zu elektrischen Eigenschaften für die maßgeschneiderte Auslegung von „HiPoLiS“-Elektroden (perforierter Stromkollektor und Stickstoff-dotierte CNT/S-Aktivmaterialschicht) und den daraus resultierenden Zellen

Technische Arbeitsschwerpunkte
• Technische Umsetzung des „HiPoLiS“-Elektrodenkonzeptes mit 2 mAh pro Quadratzentimeter bei einem um 70 Prozent reduzierten Gewicht des Stromableiters durch Perforation
• Entwicklung eines Elektrolytsystems mit Ionenleitfähigkeit > 2 mS/cm und Polysulfid-Löslichkeit < 10 mM/L • Entwicklung einer Hochleistungs-Li-S-Zelle mit > 280 Wh/kg bei 2C-Entladung

Angestrebte Innovationen
Die Leistungsfähigkeit von Li-S-Zellen wird bisher durch verschiedene Beiträge zum Innenwiderstand der Zellen limitiert. Das Fraunhofer IWS setzt mit Innovationen beim Elektrodendesign und Elektrolyten an diesen Punkten an und strebt eine ganzheitliche Reduktion des Innenwiderstandes auf Zellebene an.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch eine höhere gravimetrische Energiedichte, umweltfreundlichere Komponenten und geringere Materialkosten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien aus. Damit ist diese Zellchemie äußerst attraktiv für zukünftige Speicherlösungen, insbesondere zur Steigerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen.

Erste Anwendermärkte werden im Bereich der unbemannten Fluggeräte (UAV) erwartet. In diesem dynamischen Segment wird ein großes Wachstum erwartet. Verbesserte Batterien ermöglichen höhere Reichweiten und somit breitere Einsatzmöglichkeiten, vor allem auch für zivile Anwendungen wie moderne Landwirtschaft und Medikamententransport.

Für sichere, stabile Li-S-Zellen mit hoher Energiedichte kann langfristig mit einem breiten Einsatz als Energiespeicher in Konkurrenz zur Lithium-Ionen-Technologie in mobilen und stationären Anwendungen gerechnet werden. Von einem Know-how-Vorsprung zu dieser zukünftigen Batterietechnologie werden deutsche Unternehmen im Allgemeinen (Material- und Komponentenhersteller bzw. Endanwender) und das Fraunhofer IWS im Besonderen profitieren.


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.01.2019 bis 31.12.2021
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 1.350.757,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

Teilprojekt 1: „Komponentenentwicklung für High-Power-Li-S-Batterien“

Förderkennzeichen: 03XP0178A

Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
01277 Dresden

Teilprojekt 2:

Förderkennzeichen: 03XP0178B

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH
14109 Berlin

Teilprojekt 3:

Förderkennzeichen: 03XP0178C

Wingcopter Holding GmbH & Co. KG
64295 Darmstadt

Fördergeber: BMBF, Referat 523

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Lithium-Schwefel-(Li-S-)Batteriezellen erreichen bereits gravimetrische Energiedichten bis 400 Wh/kg und sind in dieser Eigenschaft herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien deutlich überlegen. Insbesondere Fluganwendungen profitieren von diesem Vorteil und erste Demonstrationsprojekte nutzen Li-S-Batterien als Speicher und für den elektrischen Antrieb von Pseudosatelliten. Mit dem wachsenden Markt der unbemannten Fluggeräte für die zivile Anwendung (moderner Ackerbau, Medikamententransport) steigt auch der Bedarf an leichten, leistungsfähigen Batterien.

Mit dem Einsatz von Li-S-Zellen (350 bis 450 Wh/kg) in diesen Fluggeräten wäre gegenüber Lithium-Ionen-Zellen (150 bis 250 Wh/kg) eine Verdopplung der unabhängigen Flugzeit und somit deutliche Kostenersparnisse sowie breitere Einsatzbereiche für den Anwender möglich. Jedoch verhindert bisher die geringe Technologiereife eine breite Anwendung der Li-S-Zellen. Zudem ist wenig zu den Einflussgrößen auf die Leistungsfähigkeit und weitere anwendungsrelevante Eigenschaften der Zellen bekannt, sodass sich auch ein Bedarf zur wissenschaftlichen Aufarbeitung ergibt. Die Fokussierung auf Li-S-Zellen mit einer besonders hohen Leistungsdichte würde außerdem zu einer erheblichen Verkürzung von Feedback-Schleifen in der Materialentwicklung führen. Somit birgt gerade die Leistungsverbesserung ein großes Potenzial, um die Li-S-Speichertechnologie im Allgemeinen schneller zur Marktreife zu führen.

Gesamtziel des Vorhabens ist somit die Leistungsverbesserung der Li-S-Zellen und die Demonstration verlängerter Flugdauer in einer Prototyp-Fluganwendung. Innovationen im Zellaufbau, in der Auslegung der Elektroden und im Elektrolytsystem sind die Lösungsansätze für diese Zielstellung.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Partner im Projekt sind das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), das Fraunhofer IWS und die Wingcopter Holding GmbH & Co. KG. Das HZB adressiert dabei Operando-Untersuchungen zur Ermittlung von Einflussgrößen auf die Konversionskinetik bzw. auf den Ionentransport für die Ableitung von Elektrolytrezepturen und Kathodenstrukturen für Hochleistungszellen.

Das IWS entwickelt leistungsfähige Elektrolyte und das Elektroden- bzw. Zelldesign. Die Umsetzung der neuen Ansätze erfolgt in Multilagen-Pouchzellen, dabei wird besonders die Leistungsfähigkeit evaluiert. Schwerpunkte sind dabei der leistungsoptimierte Elektroden- und Zellaufbau und die Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Li-S-Batteriezellen durch ein innovatives Elektroden- und Zelldesign.

Wingcopter ist für die Ermittlung von Anforderungsprofilen für Batteriezellen in verschiedenen Anwendungsszenarien und die Entwicklung von Drohnen-Konstruktionen für die Reichweiten-Erhöhung verantwortlich. Schwerpunkt hierbei ist die Demonstration von Li-S-Batterien mit verlängerter Flugdauer und der Bau eines Prototyp-Fluggerätes für die Demonstration der Li-S-Batterie-Technologie.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch eine höhere gravimetrische Energiedichte, umweltfreundlichere Komponenten und geringere Materialkosten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien aus. Damit ist diese Zellchemie äußerst attraktiv für zukünftige Speicherlösungen, insbesondere zur Steigerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen. Erste Anwendermärkte werden im Bereich der unbemannten Fluggeräte (UAV) erwartet. In den vergangenen Jahren wurden durch deutsche Start-up-Unternehmen (doks.innovation, Dedrone, Wingcopter, RUCON GmbH, …) bereits eine Reihe ziviler, industrieller UAV-Anwendungen erschlossen, u. a.
• Inspektion und Datenerfassung in der Landwirtschaft
• Inspektion von Industrie-Produktionsanlagen
• Inspektion energietechnischer Anlagen (Wind, Solar)
• Vermessung & Kartografie
• Transport von Medizingütern

In diesem dynamischen Segment wird ein großes Wachstum erwartet. Verbesserte Batterien ermöglichen höhere Reichweiten und somit breitere Einsatzmöglichkeiten.

Für sichere, stabile Li-S-Zellen mit hoher Energiedichte kann langfristig mit einem breiten Einsatz als Energiespeicher in Konkurrenz zur Lithium-Ionen-Technologie in mobilen und stationären Anwendungen gerechnet werden. Von einem Know-how-Vorsprung zu dieser zukünftigen Batterietechnologie werden deutsche Unternehmen entlang der gesamten Wertschöpfungskette wie das KMU Wingcopter profitieren. Weiterhin werden an den Forschungsinstituten nachhaltig Kompetenzen im Bereich Materialsynthese sowie Elektrochemie aufgebaut und wissenschaftlicher Nachwuchs an diese herangeführt.


Galerie

Arbeitsfelder in HiPoLiS

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Schwefel (nicht thermal)

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung, Industrie

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


Schlagworte zum Teilprojekt

Energiespeichertyp

Metall-Schwefel (nicht thermal) Lithium-Schwefel Zellformat Pouch

Metall-Schwefel (nicht thermal) Lithium-Schwefel Elektrode Kathode Komposit Schwefel-Kohlenstoff

Metall-Schwefel (nicht thermal) Lithium-Schwefel Elektrode Kathode Matrix Kohlenstoffnanoröhrchen Stickstoff-dotiert

Forschungsgegenstand

Zelle

Zelle Elektroden Kathode

Zelle Elektroden Kathode Stromsammler/Kollektor

Zelle Elektrolyt flüssig

Forschungsbereiche

Material-, Bauteil- und Systementwicklung verbesserte Eigenschaften Leitfähigkeit Ionenleitfähigkeit

Material-, Bauteil- und Systementwicklung verbesserte Eigenschaften Leistungsdichte

Material-, Bauteil- und Systementwicklung verbesserte Eigenschaften Energiedichte

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Demonstrator Zelle

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Bauteil- und Komponentenentwicklung Elektrode Design

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Bauteil- und Komponentenentwicklung Elektrode Stromableiter

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

Analytik und Charakterisierung Modellentwicklung

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Innenwiderstand Einflussgrößen

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Mechanismus Konversion Kathode

Anwendungsfelder

mobil Fortbewegungsart Luft Flugdrohnen Hybriddrohnen mit Tilt-Rotor-Mechanismus

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung außeruniversitäre Einrichtung

Teilprojektleiter

Frau Dr. Susanne Dörfler
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
Winterbergstr.  23
01277 Dresden

Telefon: +49 351 83391-3703
Fax: +49 351 83391-3300
E-Mail: susanne.doerfler@iws.fraunhofer.de


Alternativer Kontakt

Herr Dr. Holger Althues
Abteilungsleiter

Telefon: +49 351 833913476
Fax: +49 351 83391-3300
E-Mail: holger.althues@iws.fraunhofer.de


Verbundprojektleiter

Frau Dr. Susanne Dörfler
Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
Chemische Oberflächen- und Batterietechnik, Gruppe Batterie- und Elektrochemie
Winterbergstr. 28
01277 Dresden
Telefon: +49 351 83391-3703
Fax: +49 351 83391-3300


Pressekontakt für Teilprojekt

Herr Marcus Forytta
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
Winterbergstr. 28
01277 Dresden
Telefon: +49 351 83391-3614
Fax: +49 351 83391-3300
E-Mail: markus.forytta@iws.fraunhofer.de
zum Internetauftritt


Pressekontakt für Verbundprojekt

Herr Marcus Forytta
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
Winterbergstr. 28
01277 Dresden
Telefon: +49 351 83391-3614
Fax: +49 351 83391-3300
E-Mail: markus.forytta@iws.fraunhofer.de
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