Das Projekt "FH-Impuls 2016: 'Zukünftige Li-basierte Energiespeicher: Neue Materialsysteme, Fertigungsprozesse und Qualitätsbewertungsmethoden (LiMaProMet)' im Gesamtvorhaben 'Smarte Materialien und intelligente Produktionstechnologien für energieeffiziente Produkte der Zukunft (SmartPro)'" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hochschule Aalen, Hochschule für Technik und Wirtschaft, Forschungsinstitut für Innovative Oberflächen (FINO), Arbeitsgruppe Sörgel durchgeführt. 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.
Das Projekt "Teilvorhaben: Mechanismen der Interkalationsprozesse in Anoden- und Kathodenmaterialien von Batterien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Department of Informatics, Robotics and Embedded Systems durchgeführt. Das Ziel dieses Projekt besteht darin, die Mechanismen der Interkalation von Mg2+ und Al3+-Ionen auf nanoskopischer Ebene zu untersuchen, und mit dem Modellsystem Li+ zu vergleichen. Sowohl Anodenmaterialien als auch die im Falle von Mg-Ionenbatterien wichtigeren Kathodenmaterialien sollen untersucht und weiterentwickelt werden. Geeignete Materialien samt erforderlicher Nanostruktur sollen identifiziert und die Mechanismen und die Kinetik geklärt werden. Ein grundlagenorientiertes Arbeitspaket beschäftigt sich mit Rastersondenmessungen an wohldefinierten Modellelektroden, um die molekularen Grundlagen der Interkalation zu verstehen. In einem zentralen Arbeitspaket sollen Elektrodenmaterialien für die Interkalation höherwertiger Ionen synthetisiert und nanostrukturiert werden. Hier besteht eine enge Kooperation mit den chinesischen Gruppen. Die Modifikationen und die Auswahl interessanter Materialien erfolgen in enger Absprache mit einem theoretisch ausgerichteten Arbeitspaket. Der Schwerpunkt der Arbeiten an der TUM liegt auf V2O5, das in vielfältiger Weise nanostrukturierbar ist und bereits gute Eigenschaften für die Mg-Interkalation gezeigt hat. Hier sollen unterschiedlichste Methoden zur Erzeugung von Nanostrukturen eingesetzt werden. Die Materialien werden vollständig mittels elektrochemischer und analytischer Verfahren charakterisiert. Neue, auf ionischen Flüssigkeiten basierende Elektrolyte werden synthetisiert und getestet, und die Bildung von Deckschichten untersucht.
Das Projekt "Entwicklung und Charakterisierung von Festelektrolyt- und Elektrodenmaterialien für elektrochemische Energiespeicher (R2RBattery-KSI)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik Meinsberg e.V. durchgeführt. Gesamtziel des Verbundvorhabens R2RBattery ist die Entwicklung eines Konzepts und innovativer Materialien für wiederaufladbare Multivalent-Ion-Festkörperbatterien auf Aluminium-Basis. Durch die Verwendung eines Al-Festkörperelektrolyten in einem Akkumulator sollen dessen Lebensdauer erheblich gesteigert und sein sicherer Betrieb gewährleistet werden. Für die Fertigung soll das für eine großflächige Produktion besonders geeignete Rolle-zu-Rolle-Prinzip (R2R) angewendet werden. Ziele des Teilprojektes des KSI sind die Entwicklung und Erprobung oxidischer Materialsysteme für aluminiumionenleitende Festelektrolyte und Elektroden zur Interkalation von Aluminiumionen sowie die Aufklärung von Phänomenen, die an festen Leitern für multivalente Ionen bei der Applikation in elektrochemischen Energiespeichern auftreten. Das Vorhaben wird am KSI in Kooperation mit der TU Bergakademie Freiberg, dem Fraunhofer-Institut FEP und der Schoeller Technocell GmbH bearbeitet. Schwerpunkte des Arbeitsplans des KSI sind: Synthese und Charakterisierung der verschiedenen Festelektrolytmaterialien mittels elektrochemischer, physikalischer und optischer Methoden, Entwicklung von Siebdruckpasten und Optimierung der Dickschichttechnologie zur Herstellung der Zellsysteme sowie deren elektrochemische Charakterisierung. Außerdem werden Möglichkeiten zur Abscheidung dünner Schichten mittels Pulsed Laser Deposition (PLD) geprüft.