Low-cost-Trockenbeschichtung von Batterieelektroden für energieeffiziente und umweltgerechte Produktionsprozesse
Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.08.2016 bis 30.09.2019
Fördersumme der angegebenen
Teilprojekte: 1.310.562,00 €
Projektvolumen der angegebenen
Teilprojekte: 1.310.562,00 €
Teilprojekt 1
Entwicklung eines Trockenbeschichtungsverfahrens für Lithium-Batterieelektroden
Förderkennzeichen: 03XP0079A
Hochschule für angewandte Wissenschaften Landshut, Technologiezentrum Energie
94099 Ruhstorf a. d. Rott
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Teilprojekt 2
Entwicklung eines Applikationsprozesses für die Low-cost-Trockenbeschichtung von Batterieelektroden
Förderkennzeichen: 03XP0079B
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Beschichtungssystem- und Lackiertechnik
70569 Stuttgart
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Teilprojekt 3
Komponentenveredlung und Formulierungstechniken für pulverförmige Rohmaterialien für Low-cost-Trockenbeschichtungen von Batterieelektroden
Förderkennzeichen: 03XP0079C
Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Battery LabFactory Braunschweig
38106 Braunschweig
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Fördergeber: BMBF, Referat 511
Projektträger: PT-J
Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien
Förderprofil:
Technologie- und Innovationsförderung
Förderart:
PDIR
Im Projekt LoCoTroP erfolgt die Entwicklung einer innovativen Produktionstechnologie von Batterieelektroden mit einem Trockenbeschichtungsverfahren. Bei gleichbleibender elektrochemischer Performance resultiert daraus eine signifikante Senkung der Produktionskosten sowohl durch geringere Investitionskosten für die Produktionsanlagen und höhere Durchlaufgeschwindigkeiten als auch durch den Verzicht auf die Lösungsmittel im Betrieb. Letzteres sowie die erhebliche Energieeinsparung im Prozess durch Wegfall des Trocknerbetriebes in Höhe von mehr als 50 Prozent führt zu einer beachtlichen Einsparung von Ressourcen in der Zellproduktion, zur Verringerung der Umweltbelastungen und zu vereinfachten umweltrechtlichen Genehmigungsverfahren für Batteriefabriken. Zudem reduziert sich der Platzbedarf einer Beschichtungsanlage durch die Abschaffung großer und energieintensiver Trocknerstrecken von einer Werkhalle auf einen durchschnittlichen Laborraum. Letztendlich besteht der Nutzen der neuen Beschichtungstechnologie in einer signifikanten Senkung der Investitions- und Betriebskosten für die Zellfertigung sowie die damit verbundene Chance auf eine Preisreduktion von Lithium-Ionen-Sekundärbatterien, um die angestrebten Ziele der Bundesregierung bis 2030 erreichen zu können.
Um die anvisierten Reduktionen zu erreichen und die Trockenbeschichtungstechnologie zur Herstellung von Batterieelektroden zu realisieren, bündeln drei Institute im Verbundprojekt LoCoTroP ihre Kernkompetenzen auf dem Gebiet der Zellproduktion. Dabei wird die TU Braunschweig (iPAT) das Verfahren zum Trockenmischen der Komponenten entwickeln. Das Applikationsverfahren zur Direktbeschichtung des Kollektors mit Elektrodenmaterialien für Anode und Kathode ohne jegliche Lösemittel wird vom Fraunhofer IPA vorangetrieben und in den Technikumsmaßstab überführt. Die Verifizierung der Elektrodenqualität sowie die Ermittlung von Optimierungsmöglichkeiten durch Detailanpassungen des Elektrodenaufbaus erfolgt durch das Technologiezentrum Energie (TZ Energie) der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Landshut (HAW Landshut).
Folgende Arbeitsschwerpunkte sind wesentlicher Bestandteil zur Realisierung des Trockenbeschichtungsverfahrens:
• Entwicklung der Trockenmischung und Vorfibrillation der Binder
• Entwicklung des Applikationsverfahrens für Anode und Kathode
• Verifizierung der Elektrodenqualität und Ausarbeitung eines Prozess-Qualität-Eigenschaftsmodells
• Überführung des Applikationsverfahrens in den kontinuierlichen R2R-Prozess
• Zellbau und Verfahrensvalidierung
Durch die Zusammenarbeit der Projektpartner werden Einflüsse des vorgelagerten Mischverfahrens und der nachgelagerten Zellherstellung übergreifend analysiert. Auf Basis dieser Ergebnisse wird ein Modell mit tiefergehendem Verständnis für den Einfluss von Fertigungsparametern auf die Zellperformance entwickelt, außerdem werden die Prozess-Qualität-Eigenschaft-Beziehungen abgebildet.
Der vollständige Verzicht auf Lösemittel und die damit verbundene Infrastruktur führt zu einem hochinnovativen Fertigungsprozess für Batterieelektroden, der auch für zukünftige Post-Lithium-Ionen-Systeme anwendbar ist.
Die Verfügbarkeit von hochleistungsfähigen Lithium-Ionen-Sekundärbatterien wird in Zukunft eine immer größere Rolle in der technischen Entwicklung von elektrochemischen Energiespeichern darstellen. Maßgebliche Beweggründe sind dabei der angestrebte teilweise oder vollständige Ersatz fossiler Brennstoffe bzw. der Einsatz von Batterien zur Zwischenspeicherung von erneuerbaren Energien und der damit verbundenen Elektrifizierung des Mobilitätssektors. Die ambitionierte Haltung der Bundesregierung, die im Jahre 2030 bereits sechs Millionen Elektroautos in Deutschland vorsieht, wird nur dann umgesetzt werden können, wenn die Batterien im Preis deutlich sinken. Bei der Herstellung der Komponenten einer Lithium-Ionen-Batterie wird das teure Material bereits in den ersten Prozessschritten in die lange Wertschöpfungskette eingebracht. Nur durch die Optimierung jedes einzelnen Prozessschrittes kann eine hohe und dadurch kostensparende Effizienz erreicht werden. Besonders der Beschichtungs- und der daran gekoppelte Trocknungsschritt weisen ein hohes Einsparpotenzial auf.
Bisher im Stand der Technik verwendete flüssige Beschichtungssuspensionen, im Wesentlichen bestehend aus elektrochemisch aktivem Funktionsmaterial, Binderanteilen, Leitadditiven und Lösemitteln, erfordern eine energieintensive Trocknung und setzen gesundheits- und umweltgefährdende, oft hochsiedende Lösemittel frei. Das bei Lithium-Ionen-Sekundärbatterien meist eingesetzte N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) ist inzwischen in der REACH-Verordnung als besonders besorgniserregend sowie fortpflanzungsgefährdend eingestuft. Dieses hochsiedende Lösemittel muss bei der Elektrodenherstellung nach der Applikation der Batteriesuspension in einem aufwändigen Trocknungsprozess entfernt und danach aufgrund seiner Schädlichkeit, beispielsweise mittels der Rekondensationstechnik, rückgewonnen werden. Beim Einsatz von wässrigen Systemen als umweltfreundliche Alternative ist das Verdunsten des Wassers ebenfalls mit hohen Energiekosten verbunden. Selbst geringste Mengen an Restfeuchte müssen aus den Poren der Elektroden noch entfernt werden, um die elektrochemische Performance der Batterie nicht zu vermindern.
Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer innovativen, umweltfreundlichen und kostenreduzierenden Trockenbeschichtungstechnologie zur Herstellung von Batterieelektroden. Dies beinhaltet die Entwicklung lösemittelfreier und emissionsarmer Beschichtungsverfahren für die Anoden- und Kathodenmaterialien, die Umsetzung des Verfahrens für die Roll-to-Roll-(R2R-)Beschichtung durch Aufbau einer Technikumsanlage sowie die Untersuchung der elektrochemischen Performance der trockenbeschichteten Elektroden in Halb- und Vollzellen im direkten Vergleich zu kommerziell produzierten Elektroden.
Metall-Ionen-Batterien
mobil, stationär
Forschungs- und Entwicklungseinrichtung
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode NMC Nickelreich 6:2:2
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Anode Graphite
Zelle Elektroden Anode
Zelle Elektroden Kathode
Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Beschichten Direktbeschichtung bzw. Extrusion
Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung trocken
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Konzeptentwicklung
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Kostenmodell
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Qualitätsmodell
Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung
Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Zelltest Vollzelle
mobil
stationär
Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Fachhochschule
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode NMC Nickelreich 6:2:2
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Anode Graphite
Zelle Elektroden Anode
Zelle Elektroden Kathode
Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Kalandrieren
Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Trocknen/thermische Nachbehandlung
Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Beschichten Direktbeschichtung bzw. Extrusion
Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Vorbehandlung Stromkollektor Plasma
Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung trocken
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Durchsatzzeit
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Energiebedarf
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Investitionskosten
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Kosten
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Ökobilanz
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Platzbedarf
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Prozess-Eigenschaftsbeziehungen
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Ursache-Wirk-Mechanismen
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Hochskalierung
mobil
stationär
Forschungs- und Entwicklungseinrichtung außeruniversitäre Einrichtung
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode NMC Nickelreich 6:2:2
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Anode Graphite
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Hochenergiesystem
Zelle Elektroden Anode
Zelle Elektroden Anode Additive Leitfähigkeitsadditive
Zelle Elektroden Anode Binder
Zelle Elektroden Kathode
Zelle Elektroden Kathode Additive Leitfähigkeitsadditive
Zelle Elektroden Kathode Binder
Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Trocknen/thermische Nachbehandlung
Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Beschichten Direktbeschichtung bzw. Extrusion
Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Mischen
Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Partikelvorbehandlung
Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung trocken
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Kostenmodell
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Qualitätsmodell
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Prozess-Eigenschaftsbeziehungen
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Qualitäts-Eigenschaftsbeziehungen
Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Struktur-Eigenschaftsmodell
Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung
Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Struktur
mobil
stationär
Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität
Herr Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger
Hochschule für Angewandte Wissenschaften Landshut
Technologiezentrum Energie
Wiesenweg 1
94099 Ruhstorf a. d. Rott
Telefon: +49 8531 914044-11
Fax: +49 8531 914044-90
E-Mail: karl-heinz.pettinger@haw-landshut.de
Frau Ulrike Schnyder
Am Lurzenhof 1
84036 Landshut
Telefon: +49 871 506-191
E-Mail: pressestelle@haw-landshut.de
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