3D-SSB

3D-Strukturierung von Solid-state-Kathoden zur Erhöhung der Leistungs- und Energiedichte

Teilprojekt 1

Laufzeit: 01.02.2019 bis 31.12.2019

Fördersumme: 757.083,00 €

Projektvolumen: keine Angabe
 

ausführende Stelle:

Conti Temic microelectronic GmbH - Berlin
Zitadellenweg  28A
13599 Berlin

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Conti Temic microelectronic GmbH - Nürnberg (Zentrale)

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 523

Förderkennzeichen: 03XP0202A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Beschreibung

Es liegt keine Beschreibung des Teilprojektes vor.

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.05.2020 bis 31.01.2022
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 4.404.464,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

Teilprojekt 1:

Förderkennzeichen: 03XP0202A

Conti Temic microelectronic GmbH - Berlin
13599 Berlin

Teilprojekt 2:

Förderkennzeichen: 03XP0202B

Von Ardenne GmbH
01328 Dresden

Teilprojekt 3:

Förderkennzeichen: 03XP0202C

SITEC Industrietechnologie GmbH
09114 Chemnitz

Teilprojekt 4:

Förderkennzeichen: 03XP0202D

LPKF Laser & Electronics AG
30827 Garbsen

Teilprojekt 5:

Förderkennzeichen: 03XP0202E

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
48149 Münster

Teilprojekt 6:

Förderkennzeichen: 03XP0202F

Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Battery LabFactory Braunschweig
38106 Braunschweig

Teilprojekt 7:

Förderkennzeichen: 03XP0202G

Varta Microbattery GmbH
73479 Ellwangen (Jagst)

Fördergeber: BMBF, Referat 523

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien
Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Die Umstellung der Energieversorgung von fossilen auf regenerative Energiequellen stellt viele Bereiche vor neue Herausforderungen. Insbesondere im Transport- und Mobilitätssektor sind die hohen Energiedichten der konventionellen Treibstoffe bisher unerreicht. Eine aussichtsreiche Alternative stellen derzeit Batterien basierend auf der Lithium-Ionen-Technologie dar.
Festkörperbatterien stellen dabei eine der vielversprechendsten Technologien neuartiger Batteriegenerationen dar. Bei ihnen wird der flüssige Elektrolyt der konventionellen Lithium-Ionen-Batterie durch einen Feststoffelektrolyten ersetzt. Neben sicherheitsrelevanten Vorteilen werden so eine lösungsmittelfreie Produktion, deutlich gesteigerte Lade- und Entladegeschwindigkeiten sowie höhere theoretische Energie- und Leistungsdichten der Batteriezellen durch den Einsatz reiner Lithium-Metall-Anoden ermöglicht.
In den letzten Jahren wurde viel Forschungsarbeit in die Entwicklung neuer Feststoffelektrolyte investiert, um deren ionische Leitfähigkeit und elektrochemische Stabilität zu erhöhen. Neben der Materialentwicklung stellt aber auch die gezielte Strukturierung von Elektroden eine Möglichkeit dar, um elektrische und ionische Transportlimitierungen zu minimieren.
Ziel des Projekts „3D-SSB“ ist daher die Steigerung der Leistungs- und Energiedichte von Solid-State-Batterien (SSB) durch die gezielte Strukturierung von hochkapazitiven Kathoden in Kombination mit innovativen Passivierungsschichten auf Li-Metall-Anoden. Darüber hinaus soll eine Prozesskette für die skalierbare Herstellung entsprechender 3D-strukturierter bzw. passivierter Elektroden erarbeitet werden, um die technische Umsetzung für eine industrielle Zellproduktion zu evaluieren.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Für die Herstellung der 3D-strukturierten Komposit-Kathoden werden innerhalb des Projekts Verfahren zur gezielten Einstellung physikalischer und elektrochemischer Eigenschaften von Bausteinen entwickelt (AP1). Die Bausteine bestehen dabei zu unterschiedlichen Anteilen aus dem Aktivmaterial, dem Leitadditiv, dem Festkörperelektrolyten sowie ggf. einem Binder. Auf Grundlage dieses Strukturbaukastens werden innovative additive und subtraktive Verfahren zur gezielten Herstellung von zwei- und dreidimensional strukturierten Solid-State Kathoden evaluiert (AP 2 & 3).
Parallel dazu werden Struktursimulationen mittels DEM und FEM durchgeführt, um geeignete hierarchische und gradierte Strukturen zu identifizieren, die zu einer Erhöhung der Leistungsdichte der Elektrode führen, ohne dabei die mechanische Stabilität zu stark zu beeinträchtigen (AP 4).
Für die Steigerung der Energiedichte gegenüber konventionellen Lithium-Ionen-Batterien entscheidend ist die Verwendung von Li-Metall-Anoden. Um ihren Einsatz zu ermöglichen, werden innovative Passivierungsschichten entwickelt (AP 5). In Kombination mit Bindermodifikationen und Verfahren zur Herstellung dünner Separatorschichten (AP 5) werden die 3D-strukturierten Solid-State Kathoden zu hochkapazitiven SSB-Zellen weiterverarbeitet (AP 6 & 7), die eine Steigerung der Leistungsdichte gegenüber Zellen mit unstrukturierten Kathoden aufweisen. Dabei liegt ein Hauptaugenmerk auf den Grenzflächen innerhalb der Kathode sowie zwischen den unterschiedlichen Zell-Komponenten (AP 6).
Zur Identifizierung einer geeigneten Prozesskette für die großtechnische Herstellung von 3D-strukturierten SSB und Passivierungsschichten für Li-Metall-Anoden wird ein Bewertungskatalog entwickelt (AP 8). Mit dessen Hilfe werden die entwickelten und eingesetzten Einzelprozesse hinsichtlich ihrer Skalierbarkeit für eine industrielle Produktion bewertet.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die Realisierung von Festkörperbatterien bietet für die Lithium-Ionen-Technologie ein großes Potential hinsichtlich Sicherheitsaspekten und höheren Energie- sowie Leistungsdichten, wovon insbesondere die Automotive-Applikationen profitieren würden. Für die Etablierung dieser Batterien stellt die Reduzierung von Transportlimitierungen in Kompositkathoden für Hochenergie-Batteriezellen sowie der Einsatz von Lithium-Metall-Anoden eine wesentliche Herausforderung dar. Darüber hinaus müssen Grenzflächenwiderstände zwischen den Materialien minimiert werden.
Durch die ganzheitliche Projektausrichtung von der Material- und Elektrodenentwicklung über angepasste Inaktivmaterialien bis zu den jeweilig zugeschnittenen Prozessschritten ergeben sich aus den entsprechenden Teilaspekten hohe Potenziale sowohl für die wissenschaftliche als auch wirtschaftliche Verwertung der Projektergebnisse. Die Entwicklung von skalierbaren Verfahren für 3D-strukturierte Solid-State Kathoden mit hohen C-Raten (Schnellladefähigkeit) bei hoher Energiedichte ermöglicht einen Technologievorsprung gegenüber klassischen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten. Die gleichzeitige Entwicklung von verbesserten und in möglichst geringen Anteilen vorliegenden Inaktivmaterialien sowie von Passivierungsschichten für Lithium-Metall-Anoden ist für die Realisierung von Festkörperbatterien mit erhöhten Energiedichten entscheidend. Darüber hinaus ermöglichen die simulationsgestützten Struktur-Eigenschafts-Modellierungen ein tiefgreifendes Verständnis für die Zusammenhänge zwischen der Elektrodenstruktur und den daraus resultierenden elektrischen und ionischen Leitfähigkeiten, die für eine hohe Leistungs- und damit verbundene Schnellladefähigkeit der Batteriezelle essentiell sind.
Weiterhin sind alle in dem Projekt berücksichtigten Elektrodenherstellungs- und Elektrodenstrukturierungsprozesse lösungsmittelfrei und weisen kurzfristig ein erhebliches Potenzial zur Kostenreduktion für eine Zellproduktion auf (verringerte Investitions- und Energiekosten). Darüber hinaus bietet die wirtschaftliche und technologische Bewertung der untersuchten Strukturierungsmöglichkeiten die Chance, kurzfristig deren industrielle Einsetzbarkeit in einer Zellfertigung fundiert zu bewerten und die geeigneten Prozesse auch für herkömmliche Lithium-Ionen-Batterietechnologien zu nutzen.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Festkörper-Batterien

Anwendungsfelder

Undefiniert

Förderempfänger

Undefiniert, undefiniert, Industrie, Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

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


Schlagworte zum Teilprojekt

Energiespeichertyp

Festkörper-Batterien Lithium

Forschungsgegenstand

Zelle Elektroden Kathode

Teilprojektleiter

keine Angabe

Kontaktformular


Verbundprojektleiter

Frau Julia Rieche
Telefon: +49 30 34008-468
Kontaktformular


Pressekontakt für Teilprojekt

Herr Vincent Charles
Conti Temic microelectronic GmbH - Berlin
Sieboldstr. 19
90411 Nürnberg
Telefon: +49 511 938-1364
E-Mail: vincent.charles@conti.de
zum Internetauftritt


Pressekontakt für Verbundprojekt

kein Pressekontakt

Typ Inhalt Aktion
Link Link zur Verbundprojektwebsite Öffnen