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Innovative Stromspeicher fuer die Elektrotraktion auf Li-Ion (Swing)-Basis

Das Projekt "Innovative Stromspeicher fuer die Elektrotraktion auf Li-Ion (Swing)-Basis" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von VARTA Batterie, Forschungs- und Entwicklungszentrum durchgeführt. Das Lithium-Ion oder Swing-System basierend auf einer Kohlenstoff-Lithiummetallelektrode mit einer Metalloxidgeneelektrode (z.B. LiCoO2) und einem organischen Fluessigelektrolyten ist die erste wiederaufladbare Lithiumbatterie die erfolgreich fuer den Betrieb von tragbaren Geraeten kommerzialisiert wurde. In kleinen Laborzellen (1-10 Wh Energieinhalt) sind bei Varta und weltweit bereits spezifische Energien von 100 Wh/kg bei einer Lebensdauer von ueber 1000 Lade-/Entladezyklen demonstriert worden. Dieses sind Leistungsdaten die auch fuer Elektrostrassenfahrzeuganwendungen attraktiv sind. Fuer diese Anwendungen muss jedoch das teure Cobaltoxid ersetzt werden. Ebenfalls kann der Einsatz von festen Polymerelektrolyten anstelle des brennbaren Fluessigelektrolyten die Batteriesicherheit steigern und aufgrund der leichteren und einfacheren Zellbauweise die spezifische Energie weiter erhoehen und die Herstellungskosten senken. Als kostenguenstige Elektrodenmaterialien werden im Rahmen des Vorhabens zyklenstabile Manganoxidverbindungen (Spinelle) entwickelt. Neue Polymermaterialien mit erhoehter Leitfaehigkeit sowie erhoehter Stabilitaet gegenueber Oxidation und Reduktion werden untersucht. Die Eignung des Systems fuer ESF-Anwendungen wird durch Demonstratoren mit 15Wh/kg gezeigt.

Defektspinelle als Hochenergie- und Hochleistungsmaterialien zur elektrochemischen Energiespeicherung - Teilprojekte: Partikelmikrostrukturierung und Modellsysteme, Makroskopische und atomistische Analyse von elektrochemischen Vorgängen

Das Projekt "Defektspinelle als Hochenergie- und Hochleistungsmaterialien zur elektrochemischen Energiespeicherung - Teilprojekte: Partikelmikrostrukturierung und Modellsysteme, Makroskopische und atomistische Analyse von elektrochemischen Vorgängen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), IEK-9: Grundlagen der Elektrochemie durchgeführt. Das Ziel dieses Verbundvorhabens ist es, durch eine Vernetzung der führenden Materialforschungsinstitutionen in Deutschland, Kathodenmaterialien für Hochleistungsbatterien durch schnelle Ionentransportvorgänge gezielt zu verbessern. Das langfristige Ziel ist dabei die Integration regenerativer Energieträger, insbesondere der Wind- und Solarenergie, in eine grundlastfähige und witterungsunabhängige Energieversorgung der Zukunft. Die Teilprojekte im Forschungszentrum Jülich konzentrieren sich unter anderem auf die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der Materialien und die Identifizierung der für die Limitierung des Ladungstransports maßgeblichen Mechanismen. Durch eine Korrelation der Ergebnisse bezüglich der atomistischen und der makroskopischen, elektrochemischen Eigenschaften sollen Wirkungszusammenhänge abgeleitet werden, die eine systematische Materialverbesserung ermöglichen. Im Rahmen der beiden Teilprojekte am Forschungszentrum Jülich werden oxidische Kathodenwerkstoffe mittels nasschemischer Verfahren (IEK-1) und über eine Mischoxidroute (IEK-9) synthetisiert. Die atomistischen Vorgänge werden dabei mittels EPR-Spektroskopie untersucht, während Ladungstransportvorgänge mit Hilfe der NMR-Spektroskopie charakterisiert werden. Die weiterentwickelten Kathodenmaterialien werden für die Herstellung von Batterien verwendet, an denen dann die elektro-chemischen Eigenschaften auf makroskopischer Ebene untersucht werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse fließen dann in ein sogenanntes Multiskalenmodell ein, welches wiederum zur späteren Herstellung eines Gesamtbauteils verwendet wird.

Defektspinelle als Hochenergie- und Hochleistungsmaterialien zur elektrochemischen Energiespeicherung - Teilvorhaben: das Energiespeicherungsvermögen von Spinell-basierten Elektroden in Li-Ionen Batterien

Das Projekt "Defektspinelle als Hochenergie- und Hochleistungsmaterialien zur elektrochemischen Energiespeicherung - Teilvorhaben: das Energiespeicherungsvermögen von Spinell-basierten Elektroden in Li-Ionen Batterien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Anorganische Chemie durchgeführt. Übergeordnetes Ziel ist die Bereitstellung verbesserter Kathodenmaterialien für Hochleistungsbatterien hoher spezifischer Energiedichte. Hierzu sind die bei neuen Spinellmaterialien relevanten Limitationen zu identifizieren und die Materialien auf dem Verständnis der in den Spinellen ablaufenden Prozesse zu optimieren. Der Fokus liegt auf der Aufklärung des Wechselspiels zwischen Defekten, die für einen guten ionischen Transport wichtig und durch den zyklischen Li-Aus- und -Wiedereinbau auch unvermeidlich sind. Zu den im Gesamtverbund vorgesehenen 7 Arbeitspaketen wird vorrangig zu AP2 Strukturaufklärung, AP4 magnetische Eigenschaften, AP5 Grenzflächenanalytik und AP7 Elektrochemische Charakterisierung beigetragen. Die methodische Expertise ist vorhanden, so dass mit Projektbeginn Untersuchungen an neuen Spinellen beginnen können. Durch elektrochemische Charakterisierungsverfahren werden die wichtigsten Kenngrößen zur Bewertung des Leistungspotenzials der neuen Materialien zunächst in einem standardisierten Test bestimmt. Aussichtsreiche Kandidaten werden durch eine umfassende Materialanalytik weiter untersucht, um neben den Wirkungsmechanismen auch die spezifischen Limitationen zu ermitteln. Durch systematische Untersuchungen von chemischen und strukturellen Variationen werden so Korrelationen zwischen der Zusammensetzung in dotierten Spinellen sowie kristallographischer Details und dem elektrochemischen Verhalten aufgeklärt und so eine gezielte Optimierung ermöglicht.

Innovative Stromspeicher fuer die Elektrotraktion - Teilvorhaben: Polymere Elektrolyte fuer wiederaufladbare Lithiumbatterien

Das Projekt "Innovative Stromspeicher fuer die Elektrotraktion - Teilvorhaben: Polymere Elektrolyte fuer wiederaufladbare Lithiumbatterien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von BASF SE durchgeführt. Im Rahmen des Gesamtprojektes 'Innovative Stromspeicher fuer die Elektrotraktion' sollen im Teilprojekt polymere Festelektrolyten auf Basis modifizierter Polyethylenoxide synthetisiert und durch Aufbringen auf Interkalations-Anoden (Basis: Graphit) und Kathoden (Basis: Spinell) zu wiederaufladbaren Lithiumbatterien kombiniert werden. Die Modifizierung soll die Kristallisation inhibieren, die notwendige Schichtdicke minimieren und den Lithiumionentransport optimieren. Die Universitaet Halle-Wittenberg stellt PEO-Copolymer/Weichmachersysteme mit polaren Gruppen zur besseren Solvatation typischer Leitsalze her. Das Max-Planck-Institut fuer Polymerforschung synthetisiert mit 'Haarigen Staebchen' molekular verstaerkte, sehr duenne SPE-Filme. BASF entwickelt Polymere (z.B. PUR) mit vernetzbaren Gruppen, adaptiert alle SPE's an Batteriezellen und erarbeitet Verfahren zur Herstellung von Elektroden, die Varta einsetzen und weiterentwickeln kann.

Defektchemie und Diffusion/Nanoskalige Spinell-basierte Kompositmaterialien und ortsaufgelöste Transportmessungen im REM

Das Projekt "Defektchemie und Diffusion/Nanoskalige Spinell-basierte Kompositmaterialien und ortsaufgelöste Transportmessungen im REM" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RWTH Aachen University, Fachgruppe Chemie, Institut für Anorganische Chemie durchgeführt. Verbundvorhaben DESIREE: Vernetzung der führenden Materialforschungsinstitutionen in Deutschland zum systematischen Maßschneidern von Aktivmaterialien mit schnellem Ionentransport für Hochleistungs-Batterien. IAC-Teilprojekt: Synthese neuer binärer und ternärer Oxidpartikel mit Spinellstruktur im Nanometerbereich; Entwicklung eines Messaufbaus zur 'in situ -Untersuchung des Li-Ein-/Ausbaus an Nanopartikeln, Bestimmung der Diffusion, des Beladungsgrades und Korngrenzeigenschaften in Aktivmaterialschichten sowie an Einzelpartikeln. IPC-Teilprojektes: Theor. und exp. Arbeiten zu einem besseren Verständnis der Defektchemie und Diffusion von Hochenergie- und Hochleistungsmaterialien zur elektrochemischen Energiespeicherung. IAC: Polyol-Synthese, Optimierung und Dotierung des Basismaterials, strukturelle und physikochemische Charakterisierung mit den in der Vorhabensbeschreibung aufgeführten Methoden, Etablierung des Probentransfers,,in situ'-Untersuchung im REM an Schichten und Einzelpartikeln; IPC: Kationenordnung und Ionenleitfähigkeit (theoretische Untersuchungen mittels Density Functional Theory und Monte Carlo Simulationen). Exp. Bestimmung der Nahordnung im Kationengitter sowie der Oxidationsstufen der Kationen mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie. Änderung des Sauerstoffgehaltes bei Änderung des Sauerstoffpartialdruckes mittels Thermogravimetrie. Exp. Ermittlung von Diffusionskoeffizienten mittels Sekundärionenmassenspektrometrie sowie mit Radiotracern.

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