Das Projekt "WING-Zentrum: Batterie - Mobil in Sachsen (BaMoSa)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik durchgeführt. 1. Vorhabenziel Gesamtziel ist der Ausbau des Produktionstechnischen Demonstrationszentrums für Lithium-Ionen-Zellen (DeLIZ) zu einem WING-Zentrum für Batterieforschung Dresden. Das WING-Zentrum soll chemische, materialwissenschaftliche und prozesstechnologische Kernkompetenzen der TU Dresden, der Fraunhofer- und Leibniz-Institute bündeln. Als Ziele sind gestellt: Entwicklung von Co-freien Lithium-Ionen-Zellen mit erhöhter Speicherkapazität, Bau von Demozellen und Modulen, Entwicklung von Lithium-Schwefel-Zellen mit mindestens doppelter Speicherkapazität gegenüber verfügbaren Lithium-Ionen-Zellen, Bau von Demozellen und Modulen, Entwicklung neuer laserbasierter Fertigungsverfahren, Bau einer Demoanlage zur Fertigung von Zellen und Modulen. 2. Arbeitsplanung Die Ziele sollen durch die Einrichtung von drei komplementär aufgestellten Forschergruppen FG erarbeitet werden. Die Forschergruppen werden in zwei Teilprojekten zusammen arbeiten. FG1 und 2 schaffen durch ihre materialwissenschaftlichen, analytischen Schwerpunkte die Grundlagen für neue Batterieentwicklungen. Struktur-Eigenschaft-Beziehungen von Werkstoffen und chemischen Substanzen auf atomarer Ebene werden durch interdisziplinäre Zusammenarbeit grundlegend untersucht und mittels neuer Materialsynthesen in praktische Anwendungen überführt. FG3 ist produktions- und systemtechnisch ausgerüstet. Sie greift Erkenntnisse und Resultate aus FG1 und FG2 auf und setzt diese Technologien entlang der Prozess- und Fertigungskette bis zur fertigen Batteriezelle um.
Das Projekt "LiBEST - Lithium-Ionen-Akku mit hoher elektrochemischer Leistung und Sicherheit" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik durchgeführt. Ziel dieses Teilvorhabens ist die Entwicklung von maßgeschneiderten Elektrolyten und die Evaluierung von oberflächen-funktionalisierten Lithium-Metall-Anoden als Schlüsselkomponenten für stabile Lithium-Schwefel-Zellen. Durch die neuen Komponenten soll eine Steigerung der Zyklenlebensdauer bei gleichzeitig geringem Elektrolytanteil erreicht werden. So werden 5 Ah Pouchzellen aufgebaut mit denen eine spezifische Kapazität von größer als 1.000 mAh/g (bezogen auf S) und 80 % Kapazitätsretention nach 200 Zyklen mit kleiner als 4 Mikro l/mg-S Elektrolytvolumen erreicht werden sollen. Voraussetzung für die Entwicklung der Komponenten und Zellen ist ein verbessertes Grundlagenverständnis, welches durch strukturelle und elektrochemische Untersuchungen erreicht werden soll. Bei Erfolg wird die Kombination einer Schutzschicht mit einem angepassten Elektrolytsystem eine neue Klasse an Li-S-Zellen ermöglichen.
Das Projekt "Teilvorhaben: Anwendung und Evaluation von LiS-Zellen im automobilen Bereich" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Mercedes-Benz Group AG durchgeführt. Im Projekt sollen Schwefel/Polyacrylnitril (SPAN)-Komposite untersucht werden. Der SPAN-Komposit soll als monolithischer-, Faser- sowie als Monolith/Faser-Hybrid-Komposit ausgestaltet sein und charakterisiert werden. Die erhaltenen Ergebnisse sollen mit der chemischen Struktur und Morphologie korreliert und für weitere Optimierungen herangezogen werden. Neben der Polymersynthese für das Monolith-Design und die Monolith-Synthese (Anpassung der Porosität), müssen dazu faserbasierte Hybrid-PAN-Materialien, die Infiltration der PAN-basierten Hybridmaterialien mit Schwefel, die Umwandlung in SPAN, die Charakterisierung der SPAN-Materialien, adressiert werden. Analysen werden Rasterelektronenmikroskopie, XRD-Analysen, Analysen zur Ausrichtung und Porosität, thermische Analyseverfahren sowie XPS-Verfahren beinhalten. Neuartige Copolymere auf PAN-Basis sowie PAN-basierte Polymermischungen werden entwickelt um Fasern mit unterschiedlichem Dehnungsverhältnis und Titer für monolithische faserbasierte Hybrid-SPAN-Materialien zu erhalten. lonische Flüssigkeiten sollen für den Einsatz als Elektrolyte in Li-S-Batterien entwickelt und hergestellt werden. Schließlich sollen elektrochemische Lade und Entladetests, die mit realen Bedingungen vergleichbar sind, im Hinblick auf die Anwendung im Bereich Elektromobilität durchgeführt werden. Das Unternehmen führt die zusätzlichen elektrochemischen Tests im Hinblick auf die Anwendung im Bereich Elektromobilität durch. Hierzu gehören spezielle Ladungs- und Entladungstests, die mit realen Bedingungen vergleichbar sind. Die spezielle Charakterisierung der SPAN-basierten Kathodenseite (und der Lithium- oder Silizium-Anodenseite) anhand von XPS-Verfahren erfolgt ebenfalls, um den Alterungsmechanismus zu untersuchen, zu verstehen und zu verbessern.
Das Projekt "Part: Development of carbon materials for Lithium Sulphur batteries" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von SGL Carbon SE durchgeführt. Vorhabensziel Zukünftige Batteriegenerationen werden für Elektromobilitätsanwendungen nur einsetzbar, wenn die Entwicklung neuer Energiespeicherkonzepte in Bezug auf Materialien und Zellchemie vorangetrieben wird. Daneben müssen gleichzeitig die herausfordernden Aspekte, die mit den Anforderungen der Automobilindustrie verbunden sind, angegangen werden. Energie- und Leistungsdichte, Kosten, Sicherheit und Lebensdauer sind die wichtigsten und Einfluss nehmenden Kriterien für die Entwicklung von Energiespeichern. Entscheidend ist, dass die Energiedichte einer Batterie die maximale Reichweite eines Elektroautos bestimmt und damit sehr stark die umfassende Ablösung der kraftstoffbetriebenen Fahrzeuge bis heute limitiert. Eine Herangehensweise die Energiedichte des heutigen Stands der Technik von Lithium-Ionen Batterien beträchtlich zu erhöhen, ist das Lithium-Schwefel-System. Dennoch sind zahlreiche Herausforderungen mit diesem neuen System verbunden, die nur mit systematischen Studien und der Entwicklung neuer Materialkonzepte gelöst werden können. Neben der grundlagenorientierten Entwicklung bezogen auf Mechanismen und Materialien fokussiert das vorliegende Projekt den möglichst schnellen Transfer der erhaltenen Resultate in die Industrie. Arbeitsplanung Kohlenstoffe unterschiedlicher Porosität werden entwickelt und mittels Schwefelinfiltration nutzbar gemacht. Neue Elektrodenpräparationsmethoden werden für diese Materialien angewendet. Zusammen mit den Partnern des Projektes werden diese neuen Elektroden elektrochemisch als Kathodenmaterial untersucht und bewertet. Basierend auf diesen Ergebnissen können die Kohlenstoffe hinsichtlich ihrer porösen Struktur weiter verbessert werden.
Das Projekt "Entwicklung von Lithium-Schwefel/Silicium Batterien mit hoher spezifischer Energie für die Fahrzeuganwendung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Volkswagen AG, Konzernforschung durchgeführt. 1. Vorhabenziel Ziel des Teilvorhabens ist die Entwicklung und Fertigung von Schwefelkathoden und der Bau von Lithium Schwefel Zellen mit hoher Energiedichte, hohe Zyklenstabilität und hoher Sicherheit. 2. Arbeitsplanung Zu den Aufgaben im Teilprojekt von Volkswagen gehören zum einen die Erforschung und Entwicklung von Schwefelkathoden. Hierbei werden materialwissenschaftliche Aspekte untersucht, wie die Zusammensetzung der Elektrode, die Entwicklung maschinentauglicher Pasten und Prozessparameter, Variation der Binder, Variation der Kohlenstoffarten, struktureller Aufbau der Elektrodenstruktur usw. Die im Rahmen des Projektes bei Volkswagen hergestellten Schwefelkathoden und den von den Projektpartnern beigestellten Komponenten (Anodenmaterial, Elektrolyte, Separatoren, Sperrschichten etc.) werden zu Zellen verbaut und auf Automotivtauglichkeit getestet. Diese Tests beinhalten Lebensdaueruntersuchungen und elektrochemische Messungen, sowie Post Mortem Analysen. Des Weiteren beschäftigt sich Volkswagen mit der Spezifizierung der Zelle, einer Benchmarkstudie, dem Aufbau eines Referenzsystems und der Entwicklung von elektrochemischen Messmethoden zur Beurteilung der elektrochemischen Vorgänge in der Zelle.
Das Projekt "SepaLiS - Neue Separatorbeschichtungen und adaptiertes Zelldesign für zyklenstabile Lithium-Schwefel-Zellen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Brückner Maschinenbau GmbH durchgeführt. 1. Vorhabenziel Ziel des Gesamtvorhabens ist es, durch neue Komponenten und ein innovatives Zelldesign Lithium-Schwefel-Zellen mit drastisch erhöhter Stabilität zu entwickeln. Ziel dieses Teilvorhabens ist die Entwicklung eines geeigneten Polyolefin-Separators für den Einsatz in zukünftigen Lithium-Schwefel-Zellen. Die Eigenschaften der Trägermembran sollen so optimiert werden, dass eine Veränderung der Oberfläche durch Beschichtung bei gleichzeitig ausreichend hoher mechanischer Stabilität für die Weiterverarbeitung im Zellbau möglich ist. Hierfür wird die Eignung verschiedener Rohstoffe evaluiert und durch Veränderung der Herstellungsparameter das benötigte Eigenschaftsprofil eingestellt. 2. Arbeitsplan AP3 Separatorentwicklung AP3.1 Entwicklung Trägermembran AP3.6 Herstellung im Rolle zu Rolle Verfahren.
Das Projekt "Teilvorhaben: Charakterisierung der Ausgangsmaterialien und post mortem-Analyse" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) - Institut für Textilchemie und Chemiefasern (ITCF) durchgeführt. Im Projekt sollen Schwefel/Polyacrylnitril (SPAN)-Komposite untersucht werden. Der SPAN-Komposit soll als monolithischer-, Faser- sowie als Monolith/Faser-Hybrid-Komposit ausgestaltet sein und charakterisiert werden. Die erhaltenen Ergebnisse sollen mit der chemischen Struktur und Morphologie korreliert und für weitere Optimierungen herangezogen werden. Neben der Polymersynthese für das Monolith-Design und die Monolith-Synthese (Anpassung der Porosität), müssen dazu faserbasierte Hybrid-PAN-Materialien, die Infiltration der PAN-basierten Hybridmaterialien mit Schwefel, die Umwandlung in SPAN, die Charakterisierung der SPAN-Materialien, adressiert werden. Analysen werden Rasterelektronen-mikroskopie, XRD-Analysen, Analysen zur Ausrichtung und Porosität, thermische Analyseverfahren sowie XPS-Verfahren beinhalten. Neuartige Copolymere auf PAN-Basis sowie PAN-basierte Polymermischungen werden entwickelt um Fasern mit unterschiedlichem Dehnungsverhältnis und Titer für monolithische faserbasierte Hybrid-SPAN-Materialien zu erhalten. lonische Flüssigkeiten (ILs) sollen für den Einsatz als Elektrolyte in Li-S-Batterien entwickelt und hergestellt werden. Schließlich sollen elektrochemische Lade- und Entladetests, die mit realen Bedingungen vergleichbar sind, im Hinblick auf die Anwendung im Bereich Elektromobilität durchgeführt werden. Das ITCF führt spezielle Analysen durch, die anderweitig nicht verfügbar sind. Hierzu gehören die Rasterelektronenmikroskopie (REM), die SAXS/WAXS-Analyse der Fasern zur Bestimmung des Kristallinitätsgrades, der Ausrichtung und der Porosität sowie die thermische Analyse (DSC-TGA- FT-IR-MS) für ein besseres Verständnis des Umwandlungsprozesses von PAN zu SPAN durch Analyse der bei der thermischen Umwandlung erzeugten Nebenprodukte. Außerdem führt das ITCF die sekundäre Faserverarbeitung zur Optimierung der Porosität und Kristallinität für eine optimale Schwefelimprägnierung und einen hohen endgültigen S-Gehalt (größer als 55 Gew.-%) durch.
Das Projekt "SepaLiS - Neue Separatorbeschichtungen und adaptiertes Zelldesign für zyklenstabile Lithium-Schwefel-Zellen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von SGS Germany GmbH durchgeführt. Ziel des Gesamtvorhabens ist es, durch neue Komponenten und ein innovatives Zelldesign Lithium-Schwefel-Zellen mit drastisch erhöhter Stabilität zu entwickeln. Ziel dieses Teilvorhabens ist es, dabei die Risiken von Lithium-Schwefel-Batterie-Zellen unter Berücksichtigung der Einflüsse beim Transport und im Fahrzeug-Einsatz, einzuschätzen. Das soll dazu beitragen das Risiko mit vertretbarem Aufwand durch zellinterne und externe Schutz-Maßnahmen auf ein gesellschaftlich akzeptables Maß zu begrenzen. Eine Zelle mit 400 Wh/kg über 500 Zyklen als Prototyp für automobile Anwendungen soll als finales Gesamt-Projektergebnis demonstriert werden. Die Erreichung dieses Ziels, verbunden mit einer Einschätzung zur Sicherheit im Vergleich zu Lithium-Ionen-Zellen, wäre ein wichtiger Meilenstein für die Etablierung der Li-S-Technologie für Elektrofahrzeuge. Die SGS arbeitet in AP1 (Zelldesign und Zielvorgaben) und im AP 7 (Tests und Evaluierung) mit. SGS koordiniert außerdem AP 7. Arbeiten des Teilvorhabens: Sicherheit: Anforderungen, Schutzmaßnahmen, Tests und Evaluierung Zelle, Rückschlüsse auf Zellverbund.
Das Projekt "StickLiS - Stickstoffhaltige Kohlenstoffe für hochkapazitive zyklenstabile Lithium-Schwefel-Kathoden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik durchgeführt. 1. Vorhabenziel Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch hohe gravimetrische Energiedichten und geringe Materialkosten im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien aus, weisen jedoch bisher nur eine geringe Lebensdauer der Zellen auf. Aktuelle Li-S-Prototyp-Zellen erreichen eine Energiedichte von 350 Wh/kg, degradieren aber innerhalb der ersten 50 Lade-/Entladezyklen deutlich und sind daher bisher untauglich für den Einsatz in der Elektromobilität. Die Hauptursache für diese Degradation ist die Bildung von Polysulfiden bzw. deren Diffusion aus der leitfähigen Kohlenstoffmatrix zur Anode, mit welcher ungewünschte Nebenprodukte entstehen. Ziel dieses Vorhabens ist es, diese Diffusion deutlich zu minimieren, indem innovative leitfähige, stickstoffdotierte Materialien eingesetzt werden, da sie eine besondere Affinität zu Polysulfiden besitzen. 2. Arbeitsplan In diesem Vorhaben werden Vertreter dreier Substanzklassen synthetisiert, charakterisiert, mit Schwefel infiltriert, als Elektrodenmaterial skalierbar lösungsmittelfrei verarbeitet und vs. Lithium elektrochemisch getestet. Die Elektroden werden zudem mikroskopisch und spektroskopisch untersucht. Durch den objektiven Vergleich dieser Materialklassen und die komplementären Expertisen vier verschiedener Forschungsinstitute ist es möglich, fundierte Aussagen über die elektrochemischen Mechanismen zu treffen. Damit werden Nebenreaktionen, die bisher den kommerziellen Erfolg der Lithium-Schwefel-Batterie verhindern, minimiert. Zudem werden die Kenntnisse zu den Struktur-Eigenschaftsbeziehungen genutzt, um die Elektrolytmenge zu minimieren.
Das Projekt "SepaLiS - Neue Separatorbeschichtungen und adaptiertes Zelldesign für zyklenstabile Lithium-Schwefel-Zellen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Bayerische Motorenwerke AG durchgeführt. Um eine erfolgreiche Marktdurchdringung von Elektroantrieben zu ermöglichen, ist es notwendig, die Energiedichte von Batterien für höhere Reichweiten deutlich zu steigern. Hierzu ist es notwendig an neuartigen Elektrodenaktivmaterialien zu forschen, die über das Stadium der aktuellen Lithium-Ionen Technologie hinausgehen. Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch hohe gravimetrische Energiedichten und potentiell geringeren Materialkosten im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien aus, sie sind aber noch im Forschungsstadium. Im Rahmen des Projekts SepaLiS sollen die Komponenten einer Lithium-Schwefel Zelle erforscht und entwickelt werden, mit dem Ziel am Ende der Projektlaufzeit eine Prototypenzelle mit einer Energiedichte von 400 Wh/kg und einer Zyklenstabilität von größer als 500 Zyklen darzustellen. Das besondere Interesse von BMW liegt in der Erforschung des Potentials von Lithium-Schwefel Zellen für teil- und vollelektrische Serienfahrzeuge. Gleichzeitig wird darauf geachtet die Sicherheit von Lithium-Schwefel Zellen zu bewerten, da eine Verringerung des aktuellen Sicherheitsstandards für neue Generationen von HV-Speichern ausgeschlossen ist. BMW wird aus den aktuellen Anforderungen an Elektrofahrzeuge Ableitungen zu Sicherheitsanforderungen und Schutzmaßnahmen, Systemvorgaben und Zelldesign vornehmen und kontinuierlichen Input zu den F&E Arbeiten liefern. Gemeinsam mit den Projektpartnern wird BMW eine zielgerichtete Testmatrix erstellen, um die Zellen zu validieren. Nach Aufbau der Prototypen-Zellen durch die Projektpartner wird BMW mit den realisierten Zelldaten eine Hochrechnung von Zellniveau auf Batteriepackniveau vollziehen. Am Ende des Vorhabens wird BMW durch Zelltests der Prototypenzellen die Erfüllung der Kriterien, die zu Beginn des Projekts vermittelt wurden, abgleichen und stimmt mögliche Einsatzszenarien im Automotive-Bereich ab. Die Konsortialführerschaft übernimmt der Fraunhofer Institut IWS in Dresden.
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