TRANSITION

Natrium-Ionen-Batterie-Demonstratoren für mobile und stationäre Energiespeicher

Teilprojekt 1

Laufzeit: 01.02.2019 bis 31.01.2022

Fördersumme: 412.993,00 €

Projektvolumen: 412.993,00 €
 

ausführende Stelle:

Helmholtz-Institut Ulm für Elektrochemische Energiespeicher
Helmholtzstr.  11
89081 Ulm

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Sondervermögen Großforschung beim Karlsruher Institut für Technologie

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 523

Förderkennzeichen: 03XP0186A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Teilprojektes

  • Das Vorhaben TRANSITION fokussiert die Entwicklung leistungsstarker NIB Demonstratoren mit Flüssig- und Polymerelektrolyt und hat das Gesamtziel eine kostengünstige und umweltfreundliche Alternative und Ergänzung zur aktuell verfügbaren Technologie der Lithium-Ionen Batterien in Deutschland bereitzustellen
  • Entwicklung kostengünstiger und sicherer Lithium-Ionen-Batterien
  • Verwendung wässriger Binder und biologischer Abfälle als Ausgangsmaterial zum Ersatz von synthetischen Graphiten durch kostengünstige Graphit-Abfallprodukte und Kohlenstoffkomposite
  • Günstige Aluminium Stromableiter anstatt Kupfer-Metall für die Anoden.
  • Schwermetallfreie Alternativen zu heutigen Kathoden-Aktivmaterialien, besonders im Hinblick auf die Vermeidung von Kobalt


Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Entwicklung einer negativen Elektrode mit Aluminiumkollektor: Kohlenstoff-basierte Aktivmaterialien unter Verwendung wässriger Binder und biologischer Abfälle als Ausgangsmaterial.
Das Hauptziel im Teilprojekt von HIU/KIT ist die Entwicklung von optimierten Anodenmaterialien für NIB mit Flüssig oder Polymerelektrolyt. Die nötigen Voraussetzungen dafür erfüllen insbesondere kohlenstoffbasierte Materialien, welche ausschließlich wässrig prozessiert und in ihrer Zusammensetzung optimiert werden sollen. Die Auswahl der Materialien erfolgt dabei unter den Kriterien hohe elektrochemische Leistungsfähigkeit und industrielle Skalierbarkeit.

• Entwicklung von Hard und Soft Carbons :
Hard und Soft Carbons werden im Labormaßstab hergestellt, strukturell untersucht und elektrochemisch getestet. Von besonderem Interesse ist dabei die Erhöhung der reversiblen Kapazität (≥ 350 mAh/g). Dazu sollen die Rolle von Heteroelementen auf die elektrochemische Leistungsfähigkeit sowie die Ursachen für Leistungsverluste beim Langzeitzyklisieren genau verstanden werden. Weiterhin sollen mittels Oberflächenmodifikation und weiterer chemischer/physikalischer Maßnahmen die initialen irreversiblen Verluste verringert werden. Als Edukte für die umweltfreundliche Herstellung leistungsstarker Hard Carbons werden auch biologische Ausgangsmaterialien und Abfälle eingesetzt werden.

• Hochskalierung von ausgewählten Anodenmaterialien:
Zeitgleich zur Charakterisierung im Labormaßstab werden alle Arbeiten analog im vorindustriellen Maßstab durchgeführt und auf Skalierbarkeit optimiert. Als Ausgangspunkt dienen Vorarbeiten mit einem bereits am HIU entwickelten Hard Carbon sowie einem kommerziellem Hard oder Soft Carbon. Die Materialien werden hinsichtlich ihrer strukturellen (Dichte, Klopfdichte, Partikelmorphologie, Porosität) und elektrochemischen (initiale irreversibler Kapazitätsverlust, reversible Kapazität, Ratenfestigkeit und Zyklenstabilität) Eigenschaften untersucht und optimiert.


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.02.2019 bis 31.01.2022
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 886.299,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: 1.174.864,00 €

Teilprojekt 1:

Förderkennzeichen: 03XP0186A

Helmholtz-Institut Ulm für Elektrochemische Energiespeicher
89081 Ulm

Teilprojekt 2:

Förderkennzeichen: 03XP0186B

Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissen­schaft­liche Fakultät Institut für Chemie - Physikalische Chemie - Physikalische Chemie der Materialien - Elektrochemie
12489 Berlin

Teilprojekt 3:

Förderkennzeichen: 03XP0186C

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg - Labor für Batterietechnologie (eLaB), Geschäftsbereich Elektrochemische Energietechnologien - Fachgebiet Akkumulatoren Materialforschung
89081 Ulm

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 Motivation des TRANSITION Projektes ist es, einen zentralen Beitrag für eine nachhaltige Energiespeicherung in Deutschland zu leisten. Die Märkte für Elektromobilität und stationäre Energiespeicherung werden im Zuge der Energiewende deutlich wachsen und bedürfen energieeffizienter und leistungsstarker Speichertechnologien. Momentan werden Lithium-Ionen Batterien (LIB) hier aufgrund ihrer Performance als vielversprechend eingestuft. Aktuell verfügbare LIB verwenden als Kernkomponenten ökologisch kritisch bewertete, knappe und teure Elemente. Es besteht dringende Notwendigkeit den zukünftigen Anforderungen nach Kosten, Verfügbarkeit und Performance gerecht zu werden.
Natrium-Ionen Batterien (NIB) stellen durch die ubiquitäre Verfügbarkeit ihrer Rohstoffe bei gleichzeitig niedrigen Kosten eine vielversprechende Alternative und Ergänzung zur Lithium-Ionen Technologie dar. In ihrer Leistungsstärke sind sie jeder anderen konventionellen wieder aufladbaren Batterietechnologie (mit Ausnahme von LIB) überlegen. Ihr technisches Potenzial bietet zudem breite Entwicklungsperspektiven. Gesamtziel des Vorhabens TRANSITION ist die Entwicklung leistungsstarker NIB als eine alternative Technologie für eine kostengünstigere und umweltfreundlichere Elektromobilität und stationäre Energiespeicherung in Deutschland.
Das Vorhaben TRANSITION fokussiert die Entwicklung leistungsstarker NIB Demonstratoren mit Flüssig- und polymerelektrolyt und hat das Gesamtziel eine kostengünstige und umweltfreundliche Alternative und Ergänzung zur aktuell verfügbaren Technologie der Lithium-Ionen Batterien in Deutschland bereitzustellen. Das TRANSITION Projekt verfolgt einen praktisch-orientierten Lösungsansatz, um einen Transfer der NIB Technologie in die Industrie sicherzustellen, den Wertschöpfungsanteil für den Wirtschaftsstandort Deutschland zu sichern, sowie Innovation und Wachstum der Industrie in Deutschland voranzubringen.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Wissenschaftliche und technische Arbeitsziele des Verbunds münden in dem übergeordneten Ziel des Vorhabens, durch die Entwicklung leistungsstarker NIB Demonstratoren zukünftige Anwendungsbereiche in der Elektromobilität und stationären Energiespeicherung zu erschließen und darüber hinaus für die Industrie zugänglich zu machen. Die geplanten NIB Demonstratoren werden unter Berücksichtigung von „Eco-Design“- Prinzipien im Sinne der Circular Economy Strategie der EU entwickelt, um eine nachhaltige und kostengünstige Batterietechnologie zu realisieren.

Die technischen Ziele sind:

1.) Entwicklung technisch relevanter Aktivmaterialien/Elektrolyte
• Negative Elektrode mit Aluminiumkollektor: Kohlenstoff-basiertes Aktivmaterial für Demonstrator Zellen unter Verwendung wässriger Binder und biologischer Abfälle als Ausgangsmaterialien.
• Kobaltfreie Schichtoxide für die eine nachhaltige und ökonomisch zielführende positive Elektrode.
• Elektrolyt: a) aprotischer Flüssigelektrolyt mit hoher Stabilität und Fähigkeit zum Ausbilden einer stabilen „solid electrolyte interphase“ (SEI); b) Polymerelektrolyt mit hoher Kompatibilität mit Schichtoxidkathoden und Natriummetallanoden.

2) Entwicklung leistungsstarker, umweltfreundlicher und kostengünstiger NIB Demonstratoren: Die kontinuierlichen Optimierungszyklen (Material, Elektrolyt, Zelle) werden durch engen Abgleich der experimentellen Arbeiten begleitet und unterstützt.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Für die Erreichung der Ziele der Bundesregierung im Bereich der Elektromobilität, stationären Energiespeicherung, Energiewende und Klimaschutz ist es notwendig, innovative, leistungsstarke, umweltfreundliche und günstige Batterietechnologien zu erforschen. Das TRANSITION Projekt dient der Erforschung einer solchen Alternativtechnologie und stärkt dadurch die internationale Wettbewerbsfähigkeit, Zukunftsperspektive und Technologieführerschaft Deutschlands auf dem Gebiet elektrochemischer Energiespeicher. Es besteht zudem ein enormes Markt- und Arbeitsplatzpotenzial, wenn NIB in mobilen und stationären Speichern verwendet werden können, da beide Märkte noch kaum ausgeschöpft sind und geringe Markteintrittsbarrieren für NIB bestehen.
Die Erkenntnisse des TRANSITION Projektes stärken die deutsche Forschungslandschaft, da notwendiges Wissen für die Entwicklung von Batteriesystemen aufgebaut wird. Dieses Wissen ist auf die Weiterentwicklung von LIB übertragbar und notwendig, um an die Forschung an NIB in Asien aufzuschließen und liefert langfristig qualifizierte Nachwuchskräfte in Deutschland. Dies ist unter wirtschaftlichen Aspekten für die deutsche Industrie wichtig, um im Bereich der elektrochemischen Energiespeicherung konkurrenzfähig zu sein. Die enge Einbindung eines Industriebeirats richtet das Projekt auf wirtschaftliche Anschlussfähigkeit und eine Verwertung der entwickelten Materialien und NIB aus. In diesem Sinne bildet und bietet das TRANSITION Projekt eine wichtige Schnittstelle zwischen Forschung und Industrie, um den Standort Deutschland wirtschaftlich und wissenschaftlich zu stärken.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Festkörper-Batterien, Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil, stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung, undefiniert

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


Schlagworte zum Teilprojekt

Energiespeichertyp

Festkörper-Batterien Natrium Elektrolyt polymer

Festkörper-Batterien Natrium Anode Natrium-Metall

Metall-Ionen-Batterien Natrium-Ionen-Batterien Anode Natrium-Metall

Anwendungsfelder

mobil

stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung außeruniversitäre Einrichtung

Teilprojektleiter

Herr Prof. Dr. Stefano Passerini
Helmholtz-Institut Ulm für Elektrochemische Energiespeicher
Helmholtzstr.  11
89081 Ulm

Telefon: +49 731 5034-101
Fax: +49 731 5034-199
E-Mail: stefano.passerini@kit.edu


Alternativer Kontakt

Frau Dr. Ivana Hasa
Wissenschaftliche Mitarbeiterin

Telefon: +49 731 5034-133
Fax: +49 731 5034-199
E-Mail: ivana.hasa@kit.edu


Verbundprojektleiter

Herr Prof. Dr. Stefano Passerini
Karlsruher Institut für Technologie
Helmholtz-Institut Ulm für Elektrochemische Energiespeicher
Helmholtzstr. 11
89081 Ulm
Telefon: +49 731 5034 101
Fax: +49 731 5034 199


Pressekontakt für Teilprojekt

Frau M.A. Margarete Lehné
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Telefon: +49 721 608-21157
E-Mail: margarete-lehne@kit.edu
zum Internetauftritt


Pressekontakt für Verbundprojekt

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