Das Projekt "HochEnergieMaterialien kosteneffizient und ökologisch prozessiert; Teilvorhaben: Kontinuierlicher Prozess zur Extrusion wasserbasierter C/Si-Pasten als Beschichtungsmaterial für Anoden in Hochenergie-Lithium-Ionen-Zellen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Volkswagen AG durchgeführt. Reichweite, Schnelladefähigkeit, Lebensdauer und Kosten von aktuellen Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen decken sich derzeit nur teilweise mit den Anforderungen der Nutzer und stellen daher Hemmnisse für die Elektromobilität dar. Daher ist es wichtig, diese Anwendungseigenschaften deutlich zu verbessern und die Kosten weiter zu senken. Die genannten Eigenschaften lassen sich mit neuen sogenannten Hochenergie-(HE-)Materialien wie Silicium-Kohlenstoff-Kompositen in der Anode und Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Materialien (NMC), die besonders reich an Lithium sind, in der Kathode erreichen (vgl. Forschungsfeld Hochenergie- und Hochleistungsbatteriesysteme). Mit neuen Fertigungsprozessen, die auf energieintensive und somit teure Schritte verzichten oder den Herstellungsprozess wesentlich verkürzen, lassen sich die Produktionskosten stark senken. Hier setzt das Projekt HEMkoop an. Das Ziel ist es, eine Hochenergie-Batteriezelle zu entwickeln, in der alle Materialien und Komponenten genau aufeinander abgestimmt sind. Durch verbesserte Rezepturen und Prozesstechnologien soll die Lebensdauer weiter gesteigert werden. Dabei kommen sogenannte Komposite zum Einsatz. Diese Verbundmaterialien sind Stoffe, die aus einem Matrix- und einem Füllstoffmaterial bestehen und im Verbund Eigenschaften besitzen, die sich von denen der Grundbestandteile wesentlich unterscheiden. Im Projekt soll ein Prozess zur Verarbeitung der Hochenergiematerialien zu Komposit-Partikeln sowie deren Verarbeitung zu Elektroden untersucht werden. Dabei sollen alle Schritte so konzipiert werden, dass sie sich später auch leicht im industriellen Maßstab einsetzen lassen. Durch die Komposit-Partikel können zwei Prozessschritte in der Elektrodenfertigung, die Dispergierung und die Beschichtung, zeitlich und örtlich voneinander getrennt werden. Dann können die Partikel - anders als zuvor - alterungsfrei aufbewahrt werden. Somit soll eine robuste und massentaugliche Produktion ermöglicht werden. Folglich kann eine völlig neue Prozesskette zur Elektrodenherstellung umgesetzt und demonstriert werden, die zu kürzeren Herstellzeiten und deutlich reduzierten Kosten führen soll. Die Projektpartner rechnen mit geringeren Investitionskosten, 60 Prozent weniger Energie- und 60 Prozent weniger Flächenbedarf. Die Technologie soll zudem für Polymerelektrolyte- und, nach geringen Anpassungen, auch für sogenannte Festkörper-Elektroden anwendbar sein. Sollten sich diese Technologien einmal durchsetzen, können in Zukunft große Änderungen in der Prozesstechnik vermieden werden.
Das Projekt "AMaLiS - Alternative Materialien und Komponenten für aprotische Lithium/Sauerstoff-Batterien: Ionische Flüssigkeiten und Titancarbid-basierte Gasdiffusionselektroden in Kombination mit geschützten Li-Anoden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, Institut für Chemie durchgeführt. Lithium-Sauerstoff-Batterien versprechen eine besonders hohe Energiedichte, erfordern aber die Lösung fundamentaler Probleme, um eine Praxistauglichkeit zu erreichen. In diesem Teilprojekt ein direkter Zugang zur in-situ-Untersuchung der Grenzflächen an Lithium-Anoden und neuartigen Gasdiffusionselektroden erschlossen werden. Die Entwicklung von in-situ-Methoden ist wichtig, da entscheidende Eigenschaften der Grenzschichten verändert werden können, wenn sie aus einer Batteriezelle entnommen werden und in ein Messgerät überführt werden. Im Projekt geht es um die Klärung folgender wissenschaftlich Fragestellungen: -Welchen Einfluss üben Vorbehandlungen und vorausgehende Ladezyklen auf die Stabilität der ionenleitenden Grenzschicht aus? -Wie kann Sauerstoff bei verschiedenen Entladezustände einer neuartiger Gasdiffussionselektroden in eindiffundieren? -Welche Reaktionsintermediate treten bei der Entlade- und der Ladereaktion auf? -Wie kann die Ladereaktion durch Elektrolytadditive beschleunigt werden?.
Das Projekt "Teilvorhaben: Kontaminationseffekte und Sensortests" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme durchgeführt. Erstes Projektziel ist, das Schädigungspotenzial durch Korrosionsprodukte sowie Verunreinigungen im Wasserstoff für Membran und Anode zu untersuchen. Auf Basis dieser Erkenntnisse zur Membranschädigung sollen chemisch stabilere Membranen entwickelt und getestet werden. Ein weiteres Projektziel ist die Entwicklung eines Sensorsystems, welches direkt an der Tankstelle die Qualität des Wasserstoffs überwacht bzw. mögliche Kontaminationen detektiert. Das Projekt HAlMa gliedert sich in die drei Arbeitsschwerpunkte: Kontaminationseffekte (Kontamination durch Korrosion und Wasserstoff-Kontamination), Membranentwicklung und H2-Qualitätsüberwachung.
Das Projekt "Teilvorhaben: Anodenmaterialien, Materialforschung und Zellkonzepte" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von INM - Leibniz-Institut für neue Materialien gGmbH durchgeführt. Das Projekt HyBaCap hat die Entwicklung effizienter, Hybrid-Energiespeicher zum Ziel, die eine hohe Leistung (größer als 10 kW/kg) mit hoher Energie (größer als 50 Wh/kg) verbinden. Die nanoskalige Hybridisierung von porösem Kohlenstoff mit Batterie-Elektrodenmaterialien ermöglicht eine Erhöhung der Energie von Superkondensatoren, während zugleich eine höhere Leistung als bei Batterien erreicht wird. Die HyBaCap Zellen werden durch gezielte Optimierung der Anode, Kathode und des Elektrolyten umfassend auf die Anforderungen der Elektromobilität ausgelegt. Zyklenstabilität und Lebensdauer werden auch bei höheren Temperaturen (bis 100 Grad Celsius) evaluiert. Durch die komplementäre Expertise von Bosch (Kathode), INM (Anode) und IOLITEC (Elektrolyt) kann somit erstmals eine vollständige Zelloptimierung erreicht werden. Das INM wird insbesondere neuartige nanoporöse Kohlenstoffe entwickeln und 2D nanolamellare Metallkarbide als Anodenmaterialien entwickeln. Am INM werden Anodenmaterialien entwickelt werden, insbesondere drei Gruppen von Kohlenstoffmaterialien: karbid-abgeleitete Kohlenstoffe (CDC), novolak-abgeleitete Kohlenstoffe (NovoCarb) aus kostengünstigen Präkursoren und Kohlenstoffnanozwiebeln (OLC). Darüber hinaus werden kommerzielle Aktivkohlen untersucht werden. Ein völlig neuartiges Anodenmaterial stellen MXene dar, welches eine erst kürzlich entwickelte Gruppe von 2D-nanolamellaren Metallkarbiden und -karbonitriden ist. Umfangreiche Materialcharakterisierung und elektrochemische Messungen werden durch in situ Experimente ergänzt. Skalierte elektrochemische Pouch-Zellen und die Einbindung des INM InnovationsZentrum stellen den Technologietransfer für Anwendungen sicher.
Das Projekt "BCT - Battery Cell Technology" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Westfälische Wilhelms-Universität Münster, MEET Batterieforschungszentrum durchgeführt. Ziel dieses Projekts ist es Hürden abzubauen, die eine Zellproduktion in Deutschland hemmen. Dafür müssen die Produktionskosten gesenkt und die Energiedichte der Batteriezellen erhöht werden. Ein neues Zelldesign mit Festkörperelektrolyt zusammen mit innovativen Produktionstechnologien wird evaluiert. Festkörper Lithium Ionen Batterien eignen sich für dieses Vorhaben im Besonderen, da durch den Einsatz von festen Elektrolyten metallisches Lithium auf der Anodenseite möglich wird und die Energiedichte der Zellen enorm steigt. Gleichzeitig entfallen bei diesem Zelldesign kosten- und zeitintensive Produktionsschritte wie das Befüllen der Zellen mit flüssigem Elektrolyt und das Formieren. Die größte Herausforderung auf Zellebene wird sein, die verschiedenen Festkörperionenleiter und Aktivmaterialien so zu kombinieren, dass Grenzflächeneffekte minimiert und gleichzeitig die mechanische Integrität über die Lebensdauer erhalten bleiben. Die Produktionsverfahren müssen so optimiert werden, dass ein Hochskalieren der Prozesse möglich wird und nicht ein Multiplizieren von teuren kleinen Anlagen nötig bleibt. Das Gesamtvorhaben unterteilt sich in mehrere Arbeitspakete, von denen je drei APs sich mit speziellen Fragestellungen an die einzelnen Zellkomponenten (Li-Metall-Anode, Hochvolt&Co-arme Kathode, Festkörperionenleiter Elektrolyt), drei APs die sich mit kritischen Produktionsprozessen (Drucken, Trocknen, Trockenbeschichten) und ein AP mit dem Demonstratoraufbau beschäftigen. Continental bearbeitet diese Themen zusammen mit Partnern aus der chemischen Industrie, dem Maschinen- und Anlagenbau sowie mit Instituten und Universitäten. Continental als potentieller zukünftiger Anwender beteiligt sich an allen APs mit einem konkreten Beitrag. Auf Designebene werden konkrete Vorgaben für das Zelldesign erstellt, um sicher zu gehen, dass eine automotive taugliche Zelle entsteht.
Das Projekt "Silicium Graphite goes Industry" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Custom Cells Itzehoe GmbH durchgeführt.
Das Projekt "PANOMOX: Entwicklung innovativer Elektrolysesysteme zur Gewährleistung eines permanenten Anodenbetriebs von MOX-Elektroden als Lösungsbeitrag für eine langzeitstabile, von der Wasserhärte unabhängige On-site-Elektrochlorung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Wasserchemie, Professur für Hydrochemie und Wassertechnologie durchgeführt. Angesichts des sich andeutenden Klimawandels und abzusehender demografischer Veränderungen kommt nachhaltigen dezentralen Konzepten des Wasser- und Abwassermanagements eine besondere Bedeutung zu. Ein wichtiger Fokus richtet sich dabei vor allem auf innovative weitergehende Reinigungsverfahren. Eine ausreichende hygienische Wasserqualität kann nur durch zuverlässige Desinfektionsverfahren sichergestellt werden. Dabei repräsentiert die In-situ-Elektrochlorung unter Verwendung von dimensionsstabilen Mischoxidelektroden (MOX-Elektroden) ein mittlerweile etabliertes und gleichzeitig innovatives Verfahren, bei dem freies Chlor aus in Wasser gelöstem Chlorid unter Einwirkung von elektrischem Strom on-site und on-demand erzeugt wird. Für die Laufzeit von Elektrochlorungsanlagen erweist sich jedoch eine erhöhte Wasserhärte als äußerst problematisch. Infolge des vorliegenden Härtegrads und der lokalen Erhöhung des pH-Wertes im Kathodenraum führen unerwünschte Ablagerungen von elektrisch nicht leitfähigem Calciumcarbonat und zum Teil Magnesiumhydroxid auf der Kathodenoberfläche zur Blockierung der Elektrode und schließlich zur Zerstörung des Elektrolysesystems. Die gängige Reinigung der Kathode durch Polarisationsumkehr steht jedoch einem stabilen Langzeitbetrieb der Elektrolyseanlagen bzw. einem geringen Wartungsaufwand entgegen. Dies stellt bis heute ein ungelöstes Problem dar. Gesamtziel des Projektes ist es daher, ein innovatives Elektrolysesystem zur Gewährleistung eines permanenten Betriebs der MOX-Elektroden als Anoden (keine Umpolung der MOX-Elektroden) bei der On-site-Elektrochlorung von Wässern mit variabler Härte zu entwickeln und zu unter-suchen. Vor diesem Hintergrund werden zwei neuartige Lösungsansätze umgesetzt und getestet: SPR (Stable against Polarity Reversal)-Vier-Elektrodensystems mit dreiphasigem Betriebsregime und - ECE (Electrochemical Enhanced)-Backwash-Systems (keine externe Zugabe von Chemikalien; In-situ-Erzeugung von Säure).
Das Projekt "Stabile Anoden für Lithium-Schwefel-Batterien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik durchgeführt. Ziel dieses Vorhabens ist es, die Kooperation der Fraunhofer IWS Gruppe mit der Gruppe von Prof. Gleb Yushin (Georgia Institute of Technology) auszubauen, um neue Wege der Materialentwicklung für zyklenstabile Li-S-Batterien zu beschreiten. Der neue wissenschaftliche Ansatz beinhaltet die Bereitstellung neuartiger Hardcarbon-Anoden für die Li-S-Zellen. Es wird dabei eine Materialstruktur angestrebt, die die Ausbildung einer stabilen Elektrolyt/Anoden-Grenzschicht erlaubt. In Kombination mit porösen Kohlenstoff/Schwefel-Nanokomposit-Kathoden werden Vollzellen mit drastisch erhöhter Zyklenfestigkeit erwartet. So könnte erstmalig eine Li-S-Zelle mit hoher Energiedichte entstehen, die unter anwendungsrelevanten Bedingungen auch nach über 1.000 Zyklen noch größer als 80 % ihrer Ausgangskapazität aufweist. Gemessen an aktuellen Veröffentlichungen entspräche dies einer Steigerung der Zyklenfestigkeit um mehr als das fünffache. Im Rahmen dieses Vorhabens soll zu diesem Ansatz eine erste Versuchsreihe durchgeführt werden. Diese beinhaltet Materialsynthesen, den Aufbau von Testzellen, deren Untersuchung und die Charakterisierung der auf Kathoden- und Anodenseite eingesetzten Materialien durch einen Doktoranden des Fraunhofer IWS im Vorfeld sowie während eines Gast-Aufenthaltes in den USA. Im Anschluss an den Gastaufenthalt folgen Langzeitmessungen und deren Auswertung. Die Ergebnisse werden im Rahmen eines internationalen Workshops vorgestellt und diskutiert.
Das Projekt "Weiterentwicklung des Konzeptes der partiellen Anodenabgasrückführung (AAGR) für propanbetriebene SOFC-Brennstoffzellensysteme" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH durchgeführt.
Das Projekt "Teilprojekt: 'Entwicklung von Anodenmaterialien'" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von SGL Carbon SE durchgeführt. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von neuen Anodenmaterialien auf Basis von amorphem Kohlenstoff und Grafit, die den hohen Anforderungen der einzelnen Anwendungen (gemäß dem im Projekt formulierten Anforderungskatalog), allen voran Hochstromfähigkeit, Lebensdauer und Sicherheit, gerecht werden, und die auf die anderen Batteriekomponenten (d.h. die Kathodenmaterialien, Elektrolyte und Separatoren der anderen Materialhersteller) abgestimmt sind. Die geplanten Arbeiten umfassen die Auswahl geeigneter Rohstoffe, die Optimierung der Grafitierungsverfahren, sowie die Identifikation geeigneter nachgeschalteter Materialveredelungsverfahren, wie z.B. Beschichtungen zur Synthese von Core-Shell-Materialien. Beginnend im Labormaßstab soll ein zügiges Upscaling über Pilotfertigung in die Großproduktion erfolgen. Bei der Umsetzung werden Elemente der DFSS-Methodik (Design for Six Sigma) zum Einsatz kommen. Die neu entwickelten Materialien sollen auf breiter Basis patentrechtlich abgesichert und selbst vermarktet werden. Damit möchte sich SGL neue Märkte erschließen und langfristig eine technologisch und wirtschaftlich wettbewerbsfähige und führende Marktposition aufbauen.
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