MaLiBa

Maßgeschneiderte Lithium-Metall-Anoden für zukünftige Batteriesysteme

Teilprojekt 1

Entwicklung von Methoden zur Herstellung metallischer Lithiumanoden sowie Evaluierung in Li-S-Prototypzellen

Laufzeit: 01.01.2019 bis 31.12.2021

Fördersumme: 799.324,00 €

Projektvolumen: 799.324,00 €
 

ausführende Stelle:

Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik, Chemische Oberflächen- und Batterietechnik
Winterbergstr.  23
01277 Dresden

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

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

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 523

Förderkennzeichen: 03XP0185A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Teilprojektes

  • Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von Lithiumschichten von
  • Entwicklung von Lithium-Ionen-leitfähigen Schutzschichten für Lithiummetall-Anoden durch Schichtabscheidung auf reaktiven Lithiumoberflächen
  • Entwicklung von Lithium-Schwefel-Batteriezellen mit volumetrisch optimierter Energiedichte von >500 Wh/L


Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Das Vorhaben MaLiBa hat das Ziel, Verfahren zur Erzeugung dünner und sicherer Lithiummetall-Anoden für Lithium-Schwefel-Zellen mit hoher volumetrischer Energiedichte zu entwickeln. Das Teilvorhaben des Fraunhofer IWS trägt Arbeitsaufgaben in allen Arbeitspaketen des Gesamtvorhaben bei. Dies mündet in folgenden Zielen des IWS:
• Entwicklung dünner lithiophiler Grenzflächen auf Nickelsubstraten in effizienten Verfahren,
• Entwicklung eines Verfahrens zur Erzeugung von Lithiumschichten <25 µm auf lithiophil ausgestatten Nickelfolien durch Schmelzabscheidung, • Entwicklung von Verfahren zur Abscheidung von Schutzschichten auf der frisch hergestellten Lithiumoberfläche, • Entwicklung volumetrisch optimierter Li-S-Zellen mit Energiedichten von 500 Wh/L.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Die Arbeitsschwerpunkte des IWS liegen in der Entwicklung von Verfahren zur Erzeugung dünner Lithiumschichten auf Nickelfolie des Projektpartners hpulcas für den gezielten Einsatz in Lithium-Schwefel-Zellen.

Demnach werden Fragestellungen zur Erzeugung von Vermittlerschichten auf Nickelfolie sowie der Schichtbildung von Lithiummetall mittels Schmelzabscheidung näher beleuchtet. Oberflächenfunktionalisierungen zur Stabilisierung der Lithiumschichten werden gemeinsam mit Projektpartner JLU Gießen entwickelt. Komponenten für volumetrisch optimierte Lithium-Schwefel-Zellen werden ausgelegt und hergestellt und zu Lithium-Schwefel-Zellen verbaut.

Die Funktionalität des dünnen Lithiums sowie der Schutzschichten wird in Prototypzellen bewertet. Letztere werden zudem dem Projektpartner SGS für Sicherheitstests zur Verfügung gestellt.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die im Projekt MaLiBa gewonnenen Ergebnisse sind nicht nur für Lithium-Schwefel-Zellen sondern auch für weitere zukünftige Zellkonzepte, wie Festkörperbatterien, Lithium-Ionen-Batterien mit metallischer Anode sowie Lithium-Luft-Batterien, relevant. Auf diese Weise liefert das Projekt Grundlagen für eine Vielzahl von Beiträgen zur aktuellen Batterieforschung in Deutschland.

Einige für eine Kommerzialisierung der zukünftigen Batteriesysteme erforderlichen technologischen Fragestellungen werden im Projekt adressiert und können im Anschluss an das Projekt mit Zellherstellern unter produktionstechnischen Aspekten weiterentwickelt werden.


Galerie

Stromableiterfolie, auf die teilweise eine dünne Schicht Lithium-Metall aufgebracht wurde
Fertige Zellen im Pouch-Format

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.01.2019 bis 31.12.2021
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 1.856.746,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: 2.484.459,00 €

Teilprojekt 1: Entwicklung von Methoden zur Herstellung metallischer Lithiumanoden sowie Evaluierung in Li-S-Prototypzellen

Förderkennzeichen: 03XP0185A

Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik, Chemische Oberflächen- und Batterietechnik
01277 Dresden

Teilprojekt 2:

Förderkennzeichen: 03XP0185B

hpulcas GmbH
09599 Freiberg

Teilprojekt 3: Risikoanalyse für Lithiummetall-Anoden und Sicherheitstests

Förderkennzeichen: 03XP0185C

SGS Germany GmbH - München, Battery Test House
81379 München

Teilprojekt 4:

Förderkennzeichen: 03XP0185D

Justus-Liebig-Universität Gießen, FB 08 - Biologie und Chemie - Chemie - Physikalisch-Chemisches Institut
35392 Gießen

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

Die Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen ist eines der großen Ziele der aktuellen Batterieforschung. Durch den begrenzten Bauraum im Fahrzeug wird die elektrische Reichweite maßgeblich durch die volumetrische Energiedichte der Batteriezellen bestimmt.

Lithium-Metall-Anoden bilden die Basis für alle lithium-basierten Batteriekonzepte, einen weiteren Sprung in der gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte gegenüber heutigen Lithium-Ionen-Batteriezellen zu erreichen. Wichtige Voraussetzungen für den Erfolg dieser Technologie ist die Entwicklung maßgeschneiderter Lithiumanoden.

Die Herausforderungen bestehen in der Entwicklung neuer Konzepte zur Herstellung dünner Lithiumanoden auf dünnen Substratfolien und maßgeschneiderter Schutzschichten, welche einen optimalen Kontakt zum jeweiligen Elektrolytsystem und eine hohe Zyklenstabilität der Anode ermöglichen.

Ziel des Vorhabens ist es daher, neue Technologien zur Optimierung der volumetrischen Energiedichte von Lithium-Schwefel-Batterien durch Optimierung der Lithium-Metall-Anode zu erreichen. Als finales Ziel soll eine Zelle mit einer Energiedichte von >500 Wh/L demonstriert werden.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Ein interdisziplinäres Konsortium aus deutschen Forschungseinrichtungen und Unternehmen entwickelt generische Konzepte und Komponenten, welche auch in anderen Zelltechnologien Anwendung finden können. Dabei ist es die Aufgabe der hpulcas GmbH (HPU), Verfahren zur Herstellung 4 µm dünner Nickelfolien zu entwickeln. Das Fraunhofer IWS entwickelt ein Verfahren zur Abscheidung dünner Lithiumanoden mittels Schmelzverfahren und entwickelt volumenoptimierte Lithium-Schwefel-Prototypzellen. Die Entwicklung von Schutzschichten für dünne Lithiumanoden steht im Fokus der Arbeiten der Justus-Liebig-Universität (JLU), wohingegen SGS Germany (SGS) die Bewertung der Zellen sowie derer Sicherheit vornimmt.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die im Projekt MaLiBa gewonnenen Ergebnisse sind neben Lithium-Schwefel-Zellen auch für weitere zukünftige Zellkonzepte, wie Festkörperbatterien, Lithium-Ionen-Batterien mit metallischer Anode, sowie Lithium-Luft-Batterien relevant. Auf diese Weise liefert das Projekt Grundlagen für eine Vielzahl von Beiträgen zur aktuellen Batterieforschung in Deutschland.

Einige für eine Kommerzialisierung der zukünftigen Batteriesysteme erforderlichen technologischen Fragestellungen werden im Projekt adressiert und können im Anschluss an das Projekt mit Zellherstellern unter produktionstechnischen Aspekten weiterentwickelt werden.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Festkörper-Batterien, Metall-Schwefel (nicht thermal)

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar, mobil, stationär, Undefiniert

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung, Industrie, Dienstleister

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


Schlagworte zum Teilprojekt

Energiespeichertyp

Festkörper-Batterien Lithium Anode Lithium-Metall

Metall-Schwefel (nicht thermal) Lithium-Schwefel Elektrode Anode Lithium-Metall auf lithiophil ausgestatteten Nickel-Folien

Metall-Schwefel (nicht thermal) Lithium-Schwefel Elektrode Anode Lithium-Metall Oberflächen-funktionalisiert

Forschungsgegenstand

Zelle

Zelle Elektroden Anode

Zelle Elektroden Anode Beschichtung

Zelle Elektroden Anode Stromsammler/Kollektor mit Grenzfläche lithiophil

Forschungsbereiche

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung alternative Prozesse Lithium-Metall Schmelzabscheidungsverfahren Aufbringung lithiophiler Grenzschicht auf Kollektor

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung alternative Prozesse Lithium-Metall Schmelzabscheidungsverfahren Metallabscheidung

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung alternative Prozesse Lithium-Metall Schmelzabscheidungsverfahren Oberflächenfunktionalisierung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Energiedichte

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Demonstrator Testzelle

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

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung außeruniversitäre Einrichtung

Teilprojektleiter

Herr Dr. Benjamin Schumm
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
Chemische Oberflächen- und Batterietechnik
Winterbergstr.  23
01277 Dresden
zum Internetauftritt

Telefon: +49 351 83391-3714
E-Mail: benjamin.schumm@iws.fraunhofer.de


Verbundprojektleiter

Herr Dr. Benjamin Schumm
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
Winterbergstr. 28
01277 Dresden
Telefon: +49 351 83391-3714


Pressekontakt für Teilprojekt

Herr Dr. Benjamin Schumm
Telefon: +49 351 83391-3714
E-Mail: benjamin.schumm@iws.fraunhofer.de


Pressekontakt für Verbundprojekt

Herr Dr. Benjamin Schumm
Winterbergstr. 28
01277 Dresden
Telefon: +49 351 83391-3714
E-Mail: benjamin.schumm@iws.fraunhofer.de

Typ Inhalt Aktion
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