Hierarchische Strukturierung hochkapazitiver Elektroden (HiStructures)

Projektlaufzeit:
01.10.2019 – 30.09.2022

Institute:

  • Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) – Fachgebiet Akkumulatoren Materialforschung (ECM)
  • Institut für Partikeltechnik (iPAT)
  • Institut für Füge- und Schweißtechnik (ifs)
  • Institut für Thermische Verfahrenstechnik / Bereich Thin Film Technology (TFT)
  • Institut für Stochastik (UU)
  • Institut für Technische Thermodynamik Abteilung Computergestützte Elektrochemie am Helmholtz-Institut Ulm für Elektrochemische Energiespeicher (HIU)
  • Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik (InES)
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Partner:

KIT
Technische Universität Braunschweig
Universität ulm
ZSW
DLR

Die Forschung an Lithium-Ionen-Batterien ist ein entscheidender Baustein für die Elektromobilität und für eine emissionsarme Zukunft. Eine besondere Herausforderung besteht in der Herstellung kostengünstiger und effizienter Batteriezellen mit hoher Energiedichte. Ein vielversprechender Ansatz zur Erhöhung der Energiedichte ist eine Erhöhung des Volumenanteils von Aktivmaterial in Lithium-Ionen-Zellen durch den Einsatz ultra-dick beschichteter hochkapazitiver Elektroden.
Das Projekt HiStructures adressiert Fragestellungen, die derzeit den Einsatz ultra-dicker Elektroden behindern. Ein Nachteil ist deren geringe mechanische Qualität und Strombelastbarkeit. Projektziel ist daher die signifikante Steigerung der Energiedichte durch beidseitig ultra-dick beschichtete Elektroden und die Verringerung der damit korrelierenden mechanischer Beeinträchtigungen und Leistungseinbrüche beim Laden und Entladen. Dies soll durch maßgeschneiderte hierarchische Strukturierung der Elektroden und angepasste Prozesse auf der Basis eines umfangreichen Verständnisses der Prozesseinflüsse erreicht werden. Insgesamt sollen auf diesem Weg Material- und Herstellungskosten eingespart sowie ein nachhaltiges Herstellungskonzept erarbeitet werden.
Diesbezüglich erforscht innerhalb des Projekts das ZSW die Herstellung und Strukturierung der Kathode. Die TU Braunschweig erarbeitet das Konzept für die Herstellung und Strukturierung der Anoden. Spezielle Beschichtungs- und Trocknungsanalysen werden am KIT (Grundlagen und Anoden), an der TU Braunschweig (Anoden) und am ZSW (Kathoden) durchgeführt. Die Erforschung der simultan beidseitigen Beschichtung zur Herstellung der Elektroden erfolgt am KIT. Am ZSW wird schließlich ein Vollzellenkonzept aus ultra-dicken Kathoden und Anoden erforscht. Unterstützt werden die experimentellen Arbeiten durch eng vernetzte Simulation. Dazu werden stochastische 3D-Strukturmodelle von der Universität Ulm, strukturaufgelöste elektrochemische Simulationen vom DLR sowie Modellierungen und Optimierungen mittels homogenisierter Strukturmodelle von der TU Braunschweig erarbeitet.

Das Vorhaben unterstützt durch innovative, nachhaltige Produktionskonzepte die Technologieführerschaft einer großskaligen Batterieproduktion in Deutschland. Diese soll dazu beitragen, die Kompetenzen für LIB und die Stärkung der industriellen Wettbewerbsfähigkeit in Deutschland weiter auszubauen.