Blockheizkraftwerke (BHKW) eignen sich besonders für dezentrale Strom- und Wärmekonzepte und bilden eine effiziente Regelenergiequelle für virtuelle Kraftwerke. Es ist daher notwendig, die Erzeugung von Strom und Wärme durch geeignete Speichersysteme im Tageslastgang weitestgehend zu entkoppeln. Latentwärmespeicher (LWS) ermöglichen im Vergleich zu Wasserspeicher höhere Speicherdichten, kommen aber aufgrund hoher Kosten bislang kaum zum Einsatz. Für kompakte Systemlösungen aus Klein-BHKW und Speicher wären jedoch höhere Speicherdichten jedoch wünschenswert. Zielstellung des Projektes ist daher die Untersuchung von Makroverkapselungen für Latentspeichermedien (PCM) auf der Basis von Beutelverpackungen, mit denen die Speicherkosten reduziert werden können. Durch eine modulare Bauweise des Speichers wird zudem eine Anpassung an verschiedene Anwendungsfälle ermöglicht.
Die Hybridisierung von im öffentlichen Nahverkehr eingesetzten Fahrzeugen bietet die Möglichkeit signifikanter Treibstoff- und Emissionsreduktionen, da die Fahrzyklen gut vorhersehbar sind und häufige Brems- und Beschleunigungsvorgänge enthalten (Start-Stopp Betrieb). Der Einsatz verfügbarer elektrochemischer Speicher (Batterien, Ultracaps) zur Zwischenspeicherung der Bremsenergie ist zwar möglich, jedoch können die geforderten Leistungen bzw. die gewünschte Lebensdauer nur mit großem finanziellen Aufwand bzw. starker Überdimensionierung des Energiespeichers erreicht werden. Im Gegensatz zu den elektrochemischen Speichern bieten Flywheel-Speicher das Potenzial, eine hohe Leistungsdichte mit einer hohen Energiedichte zu verbinden. Durch den Einsatz moderner (Verbund-)Materialien sowohl im Schwungrad selbst wie auch in den Lagern können Flywheel-Speicher sehr kompakt und leicht gebaut werden. Außerdem erreichen sie bereits mit heute verfügbarer Lager-Technologie eine im Vergleich zu modernen Batteriesystemen deutlich erhöhte Lebensdauer. In dem Projekt E3ON soll die Realisierbarkeit von kompakten Flywheel-Speichern unter den in öffentlichen Nahverkehrsfahrzeugen gegebenen Rahmenbedingungen untersucht werden: Gemeinsam mit potenziellen Kunden (siehe beiliegende LOI) werden für Schienenfahrzeuge und Hybridbusse typische Lastprofile sowie extern auftretende mechanische Belastungen (Vibrationen, Fliehkräfte, ...) spezifiziert. Auf deren Basis werden die Hauptkomponenten des Systems (Schwungmasse und Lagerung, Motor/Generator, Umrichter) theoretisch und experimentell in Bezug auf Lebensdauer und Sicherheitsaspekte untersucht. Das Ergebnis der Forschungsarbeiten sind Realisierungsvorschläge für die einzelnen Komponenten sowie eine erste Abschätzung der unter den gegebenen Randbedingungen erreichbaren Lebensdauer und der Kosten. Daraus können die wichtigsten Parameter eines im Rahmen eines Folgeprojekts zu realisierenden Prototyps bzw. Vorseriengeräts abgeleitet werden, wobei speziell der erreichbare Wirkungsgrad (round-trip efficiency), der speicherbare Energieinhalt, die aufnehmbare bzw. abgebbare elektrische Leistung, die erreichbare Lebensdauer und der zu erwartende Preis von Interesse sind. Zusätzlich können die Projektergebnisse zur Beurteilung der Realisierbarkeit von noch weiter miniaturisierten Flywheel-Speichern herangezogen werden. Derartige Speicher eignen sich zum Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen des zukünftigen Individualverkehrs.
Das Impulsprojekt LiMaProMet beschäftigt sich mit der Verbesserung von Interkalationsmaterial-basierten Akkumulator-Kathoden sowie dem Thermomanagement von Batteriezellen. Dabei wird parallel eine geeignete, produktionsbegleitende Qualitätssicherung ausgearbeitet, die auf die speziellen Aspekte des für das Projekt charakteristischen dreidimensionalen Elektrodenaufbaus fokussiert. Hierbei kommen auch Methoden der künstlichen Intelligenz (selbstlernende Algorithmen) zum Einsatz. Für die hochperformanten Elektroden werden zwei neue, innovative Wege verfolgt, um Elektroden mit Fokus auf einer hohen gravimetrischen bzw. volumetrischen Leistungs- bzw. Energiedichte zu entwickeln. Dabei werden außerdem die Aspekte Energieeffizienz, Zyklenfestigkeit und Sicherheit mit berücksichtigt. Zum einen kommt ein von der Hochschule Aalen entwickeltes, völlig neues galvanotechnisches Verfahren zum Einsatz, das es erlaubt, auf die sonst erforderlichen Leitfähigkeits- und Binderadditive zu verzichten. Dadurch sind konzeptbedingt erhöhte Energie- und Leistungsdichten möglich. Alternativ dazu wird der klassische Ansatz der Aufbringung eines Slurries aus Aktivmaterial, Leitfähigkeits- und Binderadditiv auf die Beschichtung/Infiltration zellularer Trägermaterialien erweitert. Dies ermöglicht die Realisierung erhöhter Flächenbeladungen, wodurch die Energiedichte der Elektroden gesteigert werden kann. Im Rahmen des Projekts sollen geeignete Infiltrationsverfahren in Kombination sowohl mit heute bereits eingesetzten als auch zukünftigen Hochenergiematerialien ermittelt werden. Als weiterer Ansatz zur Verbesserung der Zellperformance, vor allem unter hohen Stromraten (Hochleistungsanwendungen und Schnellladeszenarien) bzw. zur weiteren Verbesserung der Zellsicherheit wird die Eignung von Phase-Change-Materials für das Thermomanagement des gesamten Zellpacks untersucht. Dies erfolgt zunächst durch Modellierung und Simulation sowie nachfolgend durch Validierung und Erprobung.
Metall-Luft-Batterien (MLB) basieren auf der Umwandlung/ Auflösung einer Metallelektrode, was zu einer Volumenänderung der Elektroden und damit einer Änderungen der Dreiphasengrenze aufgrund des verdrängten Elektrolytvolumens und der Produktabscheidung führt. Hohe Energiedichten verursachen daher starke Änderungen der Elektroden-Struktur und Elektrolytlevel und können zu Limitierungen des Stofftransports führen. In diesem Projekt soll am Beispiel der Li/O2-Batterie der Effekt dieser Änderungen auf die Leistungsfähigkeit der Kathode modellbasiert analysiert und quantifiziert werden. Weiterhin wird der Effekt von Redoxmediatoren auf die Leistungsfähigkeit untersucht. Physikochemische Simulationen werden begleitet von gezielten Experimenten; zusammen bieten diese einen tiefen Einblick in den Zustand der Zelle und die limitierenden Prozesse. Schließlich werden die Ergebnisse auf weitere MLB extrapoliert. Ziel ist es, Grenzen der Leistungsfähigkeit der betrachteten Zellen systematisch zu erfassen und Wege zum Erreichen der Idealwerte aufzuzeigen
Entscheidend für den Erfolg von mobilen Energiespeichern sind deren volumetrische und gravimetrische Energiedichte. Zu deren Erhöhung werden einerseits hochkapazitive Aktivmaterialien entwickelt, andererseits können deutliche Steigerungen durch hohe Aktivmaterialanteile und Massenbeladungen erzielt werden. Den entscheidenden Einfluss auf die resultierende volumetrische Energiedichte hat der Prozess der Verdichtung: die Kalandrierung. Neben der signifikanten Verringerung des Schichtvolumens führt die Verdichtung zur deutlichen Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit von Beschichtungen mit intrinsisch gering leitfähigen kathodischen Aktivmaterialien. Weiterhin können die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung verbessert werden: Zum einen ist die Haftfestigkeit innerhalb der Schicht und an der Grenzfläche zum Substrat bedeutend für die weiterführende Handhabbarkeit und zum anderen beeinflussen die plastische und elastische Verformbarkeit die Stabilität der Elektroden gegenüber den ionischen Ein- und Auslagerungsprozessen. Die deutliche Verringerung der Porosität reduziert jedoch die elektrochemisch aktive Oberfläche und die für die Ionendiffusion notwendigen Transportkanäle. Ein wichtiges Ziel der Kalandrierung ist dementsprechend die Optimierung der Porenstruktur. Folglich ist das Prozessverständnis entscheidend, um gezielt die optimale Poren- und Partikelstruktur sowie günstige mechanische Eigenschaften einstellen zu können. Ziel des Teilvorhabens ist es über eine umfangreich elektrochemische Charakterisierung die Abhängigkeit der elektrochemischen Performanz in Bezug auf den Prozessschritt der Kalandrierung zu verstehen. Daraus soll anschließend ein Struktur-Eigenschafts-Modell abgeleitet werden, welches als Entscheidungstool dienen kann, um eine bestmögliche elektrochemische Performanz in Abhängigkeit der Parameter des Kalandrierprozesses zu erreichen.
Der vorliegende Antrag befasst sich mit der Entwicklung neuartiger Batteriezellen auf der Basis von Magnesium und Schwefel als Aktivmaterialien. Der Fokus wird auf die grundlegende Erforschung und Realisierung von zukünftigen Materialien gelegt, die die Möglichkeit bieten, die Energiedichte über die konventioneller Materialien hinweg zu erhöhen und so die Reichweite von Automobilen und die Integration der Elektromobilität steigern. Es ist darüber hinaus erstmals geplant, Pouchzellen mit industriekompatiblem Format auf der Basis der im Projekt entwickelten Materialien zu bauen und zu testen. Über eine geplante Projektlaufzeit von 3 Jahren wird KIT-HIU federführend mit der Entwicklung und Bereitstellung des Elektrolyten und der Anode zum Projekterfolg beitragen (AP 1). Weiter kooperiert es mit den Industrie- und Forschungspartnern in weiteren Arbeitspaketen, die sich mit der Entwicklung der Kathode (AP 1), der theoretischen Modellierung der Vorgänge im Material (AP 3) und der Gesamtzelle und der Entwicklung und dem Testen von Labor- und Pouchzellen (AP 2 und 4) befassen. Als bisheriger Entwickler und zentraler Know-how Träger der neuen Technologie wird KIT-HIU auch eine beratende Funktion bei den industrierelevanten Tests der Pouchzellen übernehmen. Die Arbeitspakete sind so aufeinander abgestimmt, dass sowohl eine Weiterentwicklung des neuen Systems auf wissenschaftlicher Ebene als auch eine erste technische Entwicklung durch Bau und Test von Pouchzellen möglich ist. Mit dem Bau erster Zellen wird die BRD eine führende Rolle in der Entwicklung dieser neuen Technologie übernehmen. Die Laufzeit des Projektes ist auf drei Jahre ausgelegt. Es gliedert sich in fünf Arbeitspakete mit starken Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Arbeitspaketen. Die Erkenntnisse der einzelnen Arbeitspakete werden jeweils wieder den anderen als Input dienen, um so den größtmöglichen Synergieeffekt und das bestmögliche Ergebnis zu erzielen.
Das zentrale Ziel des HiPoLiT Projektes ist die Erarbeitung, der Aufbau und die Erprobung von Demonstratoren für praxisgerechte, energiedichteoptimierte Lithiumbatterien auf Lithiumtitanoxid (LTO)-Basis. Diese sollen auch bei niedrigen Temperaturen extrem schnellladefähig sein und durch Kombination mit Hochvoltkathoden mit verbesserter Eigensicherheit und Langzeitstabilität auch bei Zyklusprozessen eine gefahrlose Aufladung von Fahrzeugen innerhalb weniger Minuten erlauben. Die Erprobung soll die Batterievorteile praxisnah in attraktiven Erstanwendungen der Elektro-Staplertechnik und der Elektro-Bootsantriebe verifizieren. BMZ bringt in den Verbund das Know-How zur Integration von Zellen in eine Gesamtbatterien und erarbeitet im Rahmen ihrer Projektaufgaben Systemintegrationslösungen, die an die neue Zellchemie, Zellgeometrie und Zelleigenschaften optimal angepasst sind. BMZ erstellt in diesem AP Batterien mit optimierter Energiedichte auf der Systemebene. Die Demonstratorgeometrie und relevante Eckdaten (Gewicht, Spannung, Kapazität, Lade- und Entlade-leistung) werden von den Endanwendern Linde und Torqeedo vorgegeben. Darauf basierend erstellt BMZ Konzepte für Batteriesysteme, die den speziellen Anforderungen des Projektes genügen. Dies umfasst unter anderem die intelligente Führung der Abwärme und Ausnutzung des reduzierten Zellwiderstandes. Neben den Besonderheiten der LTO-Zellchemie, die berücksichtigt werden müssen, entsteht eine besondere Herausforderung auch aus dem Pouch-Zellenformat und den damit verbundenen Problemen bei der Zellkontaktierung, was ein neues Zellhalter- und Kontaktierungsdesign erfordert. Zellen und Module werden in Analogietests geprüft, um ihre Eigenschaften im Einsatz zu ermitteln. Im letzten Schritt werden die zwei Demonstratoren aufgebaut.
Grundsätzlich können Stapelzellen wegen ihres homogenen Aufbaus Vorteile gegenüber gewickelten Zellen haben. Daneben weisen gestapelte Zellen durch die bessere Raumausnutzung eine um 2-5 % höhere Zellkapazität auf. Ein großer Nachteil des Einzelblatt-Stapelverfahrens ist jedoch der geringere Durchsatz bei den derzeit verfügbaren Anlagen. Die Manz AG wird nach Evaluierungs- und Designphase eine demonstratorische Stapelanlage entwickeln, diese bauen und im Betrieb qualifizieren. Es ist geplant, diesen Demonstrator an der Forschungsproduktionslinie (FPL) am ZSW zu betreiben. Das Ziel dieses Vorhabens ist es, den Nachteil des geringeren Durchsatzes eines Staplers im Rahmen der geplanten Arbeiten mindestens zu kompensieren. Gleichzeitig sollen vergleichbare bis verbesserte Prozessausbeuten durch die Entwicklung bzw. Anpassung bestehender Prozesse und Handhabungstechnik im Vergleich zum Stapeln erzielt werden. Eine abschließende Evaluierung der Herstellkosten in einer Massenproduktion soll die Ergebnisse für die schnelle wirtschaftliche Übertragung und kommerzielle Verwertung im Vergleich zu herkömmlichen Materialien und Prozessen vorbereiten. Der Nachweis verbesserter Leistungsdichten, Zyklenfestigkeit, Langlebigkeit und Sicherheit gegenüber bisherigen Lithium-Ionen-Zellen ist ebenso ein Zielkriterium.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 227 |
| Europa | 5 |
| Wirtschaft | 1 |
| Wissenschaft | 102 |
| Type | Count |
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| Förderprogramm | 227 |
| License | Count |
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| Offen | 227 |
| Language | Count |
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| Deutsch | 218 |
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| Resource type | Count |
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| Keine | 60 |
| Webseite | 167 |
| Topic | Count |
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| Boden | 100 |
| Lebewesen und Lebensräume | 98 |
| Luft | 154 |
| Mensch und Umwelt | 227 |
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