ProFeLi

Produktionstechnik für Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anode

Teilprojekt 1

Herstellung und Handhabung von Lithium-Metall-Anoden für Festkörperbatterien

Laufzeit: 01.02.2019 bis 31.01.2022

Fördersumme: 373.785,00 €

Projektvolumen: keine Angabe
 

ausführende Stelle:

Manz AG
Steigäckerstr.  5
72768 Reutlingen

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Manz AG

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 523

Förderkennzeichen: 03XP0184A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Teilprojektes

  • Zellspezifikationen für Festkörperbatterien und deren Evaluierung und Bewertung
  • Forschung und Entwicklung zur Herstellung von dünner Lithium-Metall-Folie als Anode in Festkörperbatterien bzw. ‑zellen
  • Erforschung und Entwicklung innovativer Stapelkonzepte
  • Forschung und Entwicklung zur Zellfertigung/-assemblierung von Festkörperbatterien


Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Die wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele dieses Teilvorhabens lassen sich in zwei Kategorien aufteilen. Die erste Kategorie beinhaltet die Erforschung und Entwicklung, sowie den anschließenden Aufbau eines Produktionsprozesses für die Herstellung von Lithium-Metall-Folie. Dieser muss die Anforderungen hinsichtlich der geometrischen und chemischen Anforderungen an zukünftige Festkörperbatterien erfüllen. Der Einsatz von Lithium-Metall als Anode in Festkörperbatterien, um die Energiedichte gegenüber Lithium-Ionen-Zellen bzw. Batterien deutlich zu steigern, damit die wirtschaftlichen Anforderungen erfüllt werden, die bereits heutzutage von den Automobilherstellern und Automobilzulieferern gestellt werden und zukünftig weiter steigen werden, wird innerhalb dieses Vorhabens evaluiert. Zur zweiten Kategorie zählen die Entwicklung und der anschließende Aufbau eines demonstratorischen Handhabungsprozesses für die Zellfertigung/-assemblierung und deren Evaluierung zur Verarbeitung von adhäsivem, reaktivem Lithium-Metall für Festkörperzellen bzw. Batterien mit Lithium-Metall als Anode. Beim gesamten Assemblierungs- und Handhabungsprozess sollen insbesondere die geometrischen und chemischen Anforderungen aus dem Herstellungsprozess der Lithium-Metall-Folie erhalten bleiben und Deformationen oder chemische Reaktionen unterbunden werden. Herausfordernd stellt sich der aktuelle Stand des Markts von Maschinen- und Anlagentechnik für Festkörperbatterien dar. Dieser wird heutzutage nur unzureichend bedient und beschränkt sich ausschließlich auf manuelle Lösungen, die aus produktionstechnischer Sicht aufgrund von wirtschaftlichen Gesichtspunkten und sicherheitstechnischen Aspekten ungeeignet sind. Durch den Aufbau des Produktionsprozess sowie die Entwicklung eines Handhabungsprozesses für die Zellfertigung/-assemblierung soll dieses Defizit angegangen werden, um so in naher Zukunft markttaugliche Produktionsanlagen für die Festelektrolytbatterieherstellung zu realisieren.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Innerhalb dieses Teilvorhabens lassen sich verschiedene Arbeitsschwerpunkte identifizieren. Einer dieser Schwerpunkte ist die Entwicklung innovativer Stapelkonzepte für Festkörperbatterien. Primär basierend auf den Prozessanforderungen der Herstellung der Lithium-Metall-Folie, des Schneidens, des Stapelns und des Kontaktierens soll ein bipolares Stapelkonzept entwickelt sowie auf montagegerechtes Design überprüft werden. Ein weiterer Schwerpunkt wird die Entwicklung von Prozesslösungen für das Walzen, das Schneiden und die Handhabung der Lithium-Folie sein. Zum jetzigen Zeitpunkt stellen insbesondere die Bahnführung (Bahnspannung und –vorschub der Lithium-Folie) und die Messung der Foliendicke sowie das Schneiden Herausforderungen dar, die innerhalb dieses Arbeitspakets evaluiert werden müssen. Basierend auf den verschiedenen Versuchsergebnissen, welche im kleinen Maßstab erzeugt werden, wird ein weiterer zentraler Arbeitspunkt die Hochskalierung und der Aufbau von Prototypanlagen sein. Hierbei soll ein Demonstrator für die Verarbeitung von Lithium-Metall-Anoden sowie eine Schneid- und Stapelanlage entstehen. Mit den aufgebauten Demonstratoren sollen zur Validierung die notwendigen Materialien hergestellt werden und Stapel mit den zuvor hergestellten Materialien bzw. Materialschichten aufgebaut werden. Diese Stapel werden elektrisch kontaktiert und in das Gehäuse eingesetzt, sodass diese einem Ausgangstest unterzogen werden können. Der letzte Arbeitsschwerpunkt wird darin bestehen, Mithilfe der gewonnenen Erfahrungswerte eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für die Herstellung von Festkörperbatterien zu vollziehen. Hierbei wird vor allem Augenmerk auf die Maschinen- und Betriebskosten gelegt.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die Thematik des Teilvorhabens ist von höchster industrieller Relevanz, da bis jetzt ein großer Teil der eingesetzten Batteriesysteme auf Lithium-Ionen-Basis produziert wird und sich zunehmend herausstellt, dass diese Produkte den steigenden Anforderungen – besonders der europäischen Automobilhersteller – hinsichtlich Energiedichte nicht genügen. Um eine Steigerung der Energiedichte zu erzielen, sind große Anstrengungen aus Forschung und Industrie notwendig. Durch den Einsatz von Lithium-Metall-Folie als Anode ist eine Steigerung der Energiedichte bei gleichzeitig verbesserter Sicherheit durch den Wegfall der Elektrolytflüssigkeit möglich. Während konventionelle, großformatige Lithium-Ionen-Zellen vorwiegend in Asien gefertigt werden, bietet ein disruptiver Sprung zu Festkörperbatterien die Chance, eine konkurrenzfähige Zellfertigung in Deutschland zu etablieren. Die Nachfrage des Weltmarktes nach Maschinen zur Fertigung von Festkörperbatterien wird in den kommenden Monaten und Jahren erheblich ansteigen, da die von der Industrie geforderten Quantitäts- und Qualitätsmerkmale mit aktuellen Lithium-Ionen-Zellen nicht erreicht werden können. Auf Energie- und Kosten-intensive Prozesse, wie die Formierung, kann bei Festkörperbatterien vollständig verzichtet werden. Neben den Einsatzbereichen Elektromobilität und Consumerzellen ist ein Einsatz auch in stationären Energiespeichern sowie Nischenmärkten denkbar. Es ist zu erwarten, dass nach Ablauf des Vorhabens Fertigentwicklungen bzw. weitere Arbeiten zur Ausschöpfung weiterer Potentiale hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Kosten stattfinden werden. Wenn die Technologien die angestrebte Leistungsfähigkeit erreichen, werden die Festkörperbatterien aktuelle Lithium-Ionen-Zellen verdrängen. Daher müssen die Produktionssysteme hinsichtlich dieser Technologien entwickelt werden.


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.02.2019 bis 31.01.2022
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 3.721.903,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

Teilprojekt 1: Herstellung und Handhabung von Lithium-Metall-Anoden für Festkörperbatterien

Förderkennzeichen: 03XP0184A

Manz AG
72768 Reutlingen

Teilprojekt 2:

Förderkennzeichen: 13XP0184B

Forschungszentrum Jülich GmbH - Institut für Energie- und Klimaforschung - Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
52425 Jülich

Teilprojekt 3:

Förderkennzeichen: 03XP0184C

Technologiezentrum Elektromobilität der Volkswagen AG, Konzernforschung Antriebs- und Energiesysteme, Batterie
38550 Isenbüttel

Teilprojekt 4:

Förderkennzeichen: 03XP0184D


Teilprojekt 5:

Förderkennzeichen: 03XP0184E

J. Schmalz GmbH
72293 Glatten

Teilprojekt 6:

Förderkennzeichen: 03XP0184F

Brückner Maschinenbau GmbH & Co. KG
83313 Siegsdorf

Teilprojekt 7: Entwicklung und Bau von Gloveboxen/Einhausungen

Förderkennzeichen: 03XP0184G

GS Glovebox Systemtechnik GmbH
76316 Malsch

Teilprojekt 8: Entwicklung und Fertigung von Gehäusekomponenten für Festkörperbatterien

Förderkennzeichen: 03XP0184H

ElringKlinger AG
72581 Dettingen an der Erms

Teilprojekt 9: Produktionstechnische und elektrochemische Betrachtung der Herstellung von Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anode und Aufbau eines Funktionsdemonstrators

Förderkennzeichen: 03XP0184I

Technische Universität München, Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften
85748 Garching

Fördergeber: BMBF, Referat 523

Projektträger: PT-J
PT-VDI

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Die Sicherheit von Lithium-Ionen-Zellen kann durch den Wegfall der brennbaren Elektrolyt-flüssigkeit in Festkörperbatterien potenziell erheblich verbessert werden. Eine dichte Festelektrolytschicht ermöglicht den Einsatz von Lithium-Metall als Anode, um die Energiedichte gegenüber konventionellen Lithium-Ionen-Zellen um bis zu 70 % zu steigern. Trotz vielversprechender Ergebnisse im Labormaßstab gibt es aktuell nur wenige veröffentlichte Arbeiten zur Hochskalierung. Insbesondere Zell-, Stapel- und Gehäusedesign von großformatigen Festkörperbatterien sind aktuell noch unklar. Für die Produktionstechnik ergeben sich daraus bei der Verarbeitung der neuen Zellmaterialien große Herausforderungen: Dies umfasst u. a. die erzielbaren Schichtdicken für konkurrenzfähige Energie- und Leistungsdichten und die Verarbeitung von adhäsivem und reaktivem Lithium-Metall, sowie gezielte Oberflächenmodifikation und Herstellung geeigneter Schutzschichten zur Unterbindung von unerwünschten Nebenreaktionen. Die Verwendung keramischer Materialien erfordert neuartige Produktionsverfahren. Viele Festelektrolyte sind sehr empfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit und müssen teils bei hohen Temperaturen gesintert werden.
Ziel des Projekts ProFeLi ist deshalb eine umfassende produktionstechnische Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette für die Herstellung von Festkörperbatterien. Dabei sollen anodenseitig die Herstellung und Verarbeitung von dünnen Lithium-Metall-Schichten und Schutzschichten erforscht werden, wohingegen für Kathoden und Festelektrolyte die Untersuchung von Mehrschichtsystemen im Vorder-grund steht. Hierbei soll insbesondere untersucht werden, welche Atmosphäre (Trockenheit, Schutzgas) für die Verarbeitung der neuartigen Materialien notwendig ist. Des Weiteren sollen Stapel- und Gehäusekonzepte für Festkörperbatterien entwickelt werden, wobei die Volumenausdehnung der Aktivmaterialien während des Lade- und Entladevorgangs eine große Rolle spielt und simulationsgestützt berücksichtigt werden soll. Um ein bipolares Zellstapeldesign zu ermöglichen, werden geeignete Stromableiterfolien entwickelt, die sowohl gegenüber dem Anoden- als auch dem Kathodenpotential stabil sind. Finales Ziel des Projektes ist der Aufbau eines Funktionsdemonstrators zur Herstellung von Festkörperbatterien.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Im Rahmen des Projekts werden drei maßgebliche Teilbereiche adressiert. Die Betrachtung und Bewertung geeigneter Prozesskonzepte zur Herstellung von Festkörperbatterien befasst sich mit der Identifizierung und Gegenüberstellung von Fertigungsverfahren, Untersuchungen zur Verarbeitbarkeit geeigneter Zellmaterialien (Li-Metall-Anoden, Festelektrolyte und Mehrschichtsysteme) und der Fertigung von Zellkomponenten auf Labormaßstab. Ein weiterer wichtiger Aspekt im Projekt ProFeLi ist die Definition eines geeigneten Zelldesigns. Hier gilt es, die Volumenänderungen auf Komponenten- und Zellebene sowie die auftretenden Mechanismen an Grenzflächen simulativ abzubilden, um auf dieser Basis innovative Stapelkonzepte zu entwickeln. Weiterhin werden im Projekt für das gewählte Zelldesign geeignete Stromableiterfolien und Gehäusekonzepte, sowie Schutzschichten für Lithium-Metall entwickelt. Der dritte große Teilbereich des Projekts befasst sich mit der Fertigung von Festkörperbatterien, wobei geeignete Herstellprozesse im Labormaßstab erprobt und anschließend hochskaliert werden sollen. Um die Durchführung von Verarbeitungsstudien für die Herstellung und Verarbeitung dünner Lithium-Metall-Folien, Stromableiterfolien, Schutzschichten und Mehrschichtsystemen zu ermöglichen, wird die notwendige Anlagentechnik zur Zellassemblierung entwickelt und prototypisch realisiert. Darauf aufbauend wird der Produktionsprozess für großformatige Festkörperbatterien abhängig von den favorisierten Prozessrouten entwickelt. Als finales Projektergebnis sollen großformatige Festkörperbatterien auf den entwickelten Demonstratoranlagen hergestellt, deren elektrochemische Performance charakterisiert und die Zellen anhand automobiler Anforderungen getestet werden. Die Durchführung einer abschließenden Wirtschaftlichkeitsbewertung ermöglicht eine Abschätzung der zu erwartenden Produktkosten und schafft somit eine monetäre Vergleichsbasis in Hinblick auf konventionelle Batteriezellen mit flüssigem Elektrolyten.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Trotz der existierenden Herausforderungen hinsichtlich Performance und Kosten besitzen Festkörperbatterien ein großes Potential, konventionelle Lithium-Ionen-Batterien durch verbesserte Sicherheit und höhere Energiedichte abzulösen. Insbesondere im Bereich der Elektromobilität ist ein Einsatz wünschens-wert, wobei auch Consumer- und stationäre Energiespeicheranwendungen sowie Nischenmärkte denkbar sind. Neben der höheren Energiedichte und Sicherheit der Festkörperbatterien kann auf energie- und kos-tenintensive Prozesse, wie die Formierung, vollständig verzichtet werden. Dies führt zu einer weite-ren Kostensenkung bei der Herstellung von Lihium-Ionen-Zellen und damit einer verbesserten Wettbewerbsfähigkeit. Damit die deutsche Industrie in diesem zukunftsträchtigen und aussichtreichen Markt konkurrenzfä-hig aufgestellt ist, besitzt das Forschungsprojekt ProFeLi und die darin angestrebten Ergebnisse eine besondere Wichtigkeit.
Die im Projekt entwickelten Gehäusekonzepte für Festkörperbatterien können für den Einsatz in Batteriemodulen mit verbesserter Sicherheit erweitert werden. Mit der Durchführung des Vorhabens und bei Zielerreichung kann die geeignete Anlagentechnik zur Verarbeitung von metallischem Lithium sowie von Festelektrolyten mit hoher Markreife bereitgestellt werden. Im Konsortium wird zudem die Industrialisierung einer Festkörperbatterien angestrebt, die automotiven Anforderungen hinsichtlich Reichweite, Sicherheit, Nachhaltigkeit, Wirtschaftlichkeit und Kosten gerecht wird. Im Strukturwandel der Automobilindus¬trie hin zur Elektromobilität stellt die Festkörperbatterien einen beachtlichen Meilenstein dar. Die erarbeiteten Ergebnisse werden darüber hinaus in umfangreicher Form in die universitäre Lehre einfließen und durch Veröffentlichungen, z. B. in wissenschaftlichen Zeitschriften, auf Konferenzen, Messen und über Pressemitteilungen verbreitet werden.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Festkörper-Batterien

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Industrie, Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

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


Schlagworte zum Teilprojekt

Energiespeichertyp

Festkörper-Batterien Lithium Anode Lithium-Metall

Forschungsgegenstand

Zelle Elektroden Anode

Forschungsbereiche

Produktion

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Industrie Anlagen-, Maschinenbau und Automatisierung

Teilprojektleiter

Herr Dr. Maximilian Wegener
Manz AG
Steigäckerstr.  5
72768 Reutlingen

Telefon: +49 7121 9000 6283
Fax: +49 7121 9000 99
E-Mail: mwegener@manz.com


Verbundprojektleiter

Herr Dr. Maximilian Wegener
Manz AG
Produktmanagement
Steigaeckerstr. 5
72768 Reutlingen
Telefon: +49 7121 9000 6283
Fax: +49 7121 9000 99


Pressekontakt für Teilprojekt

Herr Axel Bartmann
Manz AG
Steigäckerstr. 5
72768 Reutlingen
Telefon: +49 7121 9000-0
E-Mail: info@manz.de
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Pressekontakt für Verbundprojekt

Herr Axel Bartmann
Manz AG
Steigäckerstr. 5
72768 Reutlingen
Telefon: +49 7121 9000-0
E-Mail: info@manz.de
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