Zukunftsweisende elektrochemische Energiespeicherung

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Drittmittel-Projekte

E-MAGIC

Ziel des Projektes European Magnesium Interactive Battery Community (E-MAGIC) ist es, neue Batterien zu entwickeln, die leistungsfähiger, billiger und sicherer sind als Lithium-Ionen-Batterien. Die wiederaufladbare Magnesiumbatterie (RMB) ist ein paradigmatisches Beispiel für solche vielversprechenden, alternativen Nicht-Lithium-Energiespeichersysteme, nachdem die Forscher weltweit Pionierarbeit geleistet und Durchbrüche erzielt haben. Die Möglichkeit, metallische Magnesiumanoden in wiederaufladbaren Batterien zu verwenden, bringt wichtige Vorteile in Bezug auf Energiedichte, Kosten und Sicherheit. Magnesiumbatterien könnten den Weg für den Aufbau einer wettbewerbsfähigen Produktionsumgebung für Batteriezellen in Europa ebnen. Das KIT ist eine von 10 an dem Projekt beteiligten wissenschaftlichen Einrichtungen. Die Gesamtprojektkoordination liegt bei der spanischen Fundación Cidetec. Weitere Partner kommen aus Israel, Frankreich, Dänemark und dem Vereinigten Königreich.

 

Gefördert wird das Projekt durch die Europäische Kommission.

Projektleiter: Prof. Dr. Maximilian Fichtner

Ansprechpartnerin

Dr. Zhirong Zhao-Karger

FestBatt-Polymere

Das Hauptziel des Teilvorhabens in der ersten Projektphase ist die Schaffung einer stofflichen Basis für die kritische Bewertung von Polymer-basierten Elektrolytkonzepten für die Realisierung von Feststoff-Lithium-Batterien. In den Arbeiten am HIU/KIT geht es hierbei vor allem um die Identifizierung, Synthese und Prozessierung von Polymer- und Gel-Polymer-Elektrolytsystemen – letztere beinhaltend gering- bis nichtflüchtige flüssige Phasen, wie bspw. ionische Flüssigkeiten – sowie deren grundlegende physikochemische und elektrochemische Charakterisierung, die Analyse und Vorarbeiten zur Hochskalierung der Darstellung ausgewählter Systeme sowie schlussendlich deren Anwendung in Lithium-Polymer-Zellen. Hierbei soll der Fokus insbesondere auf Polyethylenoxid, verwandten Derivaten und Einzelionenleitern liegen, mit dem Ziel verbesserte ionische Leitfähigkeiten und eine verbesserte elektrochemische Stabilität zu erhalten.

 

Das Verbundprojekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Projektleiter: Dr. Dominic Bresser und Prof. Dr. Stefano Passerini

Ansprechpartner

Dr. Dominic Bresser

HIFI-PEFC

Hochtemperatur-Polymerbrennstoffzellen (HT-PEFCs), deren Arbeitstemperaturbereich zwischen 120 °C und 200 °C liegt, bieten langfristig höhere Erfolgschancen und größere Einsatzbereiche gegenüber den bisher etablierten Niedertemperatur-Polymerbrennstoffzellen (LT-PEFC). Einige der wichtigsten Aspekte sind die mögliche Co-Erzeugung und -Nutzung von Wärme, geringere Reinheitsanforderung an die Betriebsmittel und eine reduzierte Systemkomplexität aufgrund des obsoleten Wassermanagements. Dies führt letztendlich zu geringeren Systemkosten, sowohl bei der Anschaffung als auch während der Nutzung. Dass es derzeit noch keine HT-PEFC-Systeme gibt, hat unterschiedliche technologische Ursachen. Das größte Problem besteht in der tatsächlich erreichbaren Leistungsdichte, welche weit unter den zu Erwarteten liegt. Hierbei spielt die Sauerstoffreduktionskinetik auf der Luftseite eine zentrale Rolle, welche bei dem derzeit eingesetzten Phosphorsäure-Polybenzimidazolimid-basierten (PA-PBI) Membransystemen, insbesondere bei trockenen Bedingungen, stark reduziert ist. Dies führt dazu, dass zur Kompensation ein viel höherer Katalysatoranteil verwendet werden muss, welcher die Systemkosten stark erhöht. Zudem verursachen wechselnde Betriebsbedingungen aufgrund von Schwellen und Kontraktion ein zunehmendes Auswaschen des Elektrolyten PA aus der Membran, wodurch Langzeitdegradation gefördert wird. Ziel dieses Projekts ist der Ersatz des Elektrolyt Phosphorsäure in der HT-PEFC durch protonenleitende ionische Flüssigkeiten. Ionische Flüssigkeiten auf der Basis von Sulfonsäuren reduzieren im Vergleich zu Phosphorsäure die Sauerstoffreduktionskinetik deutlich weniger. Hierzu sollen von Stammverbindungen Derivate hergestellt werden und diese Bezüglich Leitfähigkeit, Elektrodenkinetik und Absorption in PBI-Membranmaterialien optimiert werden. Die vielversprechendsten Kandidaten sollen in Brennstoffzellen technisch relevanter Größe getestet werden.

 

Das Verbundprojekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

 

Projektleiter: Prof. Dr. Stefano Passerini

Ansprechpartner

Dr. Alessandro Mariani

HighSafe

Nachhaltige, umweltfreundliche, sichere Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien: Materialien, Zellen und Modellierungen

 

Die weitere Erhöhung der spezifischen Energie bzw. Energiedichte wieder aufladbarer Lithium-Ionen-Batterien bei gleichzeitiger Gewährleistung der Sicherheit sowohl unter Operations- als auch Missbrauchsbedingungen und einer langen Lebensdauer ist die zentrale Herausforderung für die weitere Entwicklung von Energiespeichern sowohl für automobile als auch für stationäre Anwendungen. Hauptziel des Taiwanesisch-Deutsche Gemeinschaftsprojekts ist die Entwicklung von Schlüsselmaterialien für die nächste Generation von Hochenergie-Lithium-Ionen-Zellen, die die Anforderungen an Energiedichte, Lebensdauer, Sicherheit, Nachhaltigkeit und Verfügbarkeit der Rohstoffe erfüllen. Hierbei werden eine Reihe neuer Materialentwicklungsansätze verfolgt, die sich grob in vier Kategorien aufteilen lassen: Elektrodenmaterialien, Additive und Binder, Separatoren und Elektrolyte. Die Materialentwicklung wird unterstützt durch Kompatibilitätsuntersuchungen ausgewählter Materialkombinationen in Vollzellen, Untersuchungen zur thermischen und mechanischen Stabilität von Elektroden und Zellen und durch Modellierungen und Simulationen von der Elektrode zur Zelle. Das Projekt ist multidisziplinär aufgebaut und verfolgt einen integrativen Ansatz, der alle Schlüsselkomponenten der Batterie umfasst. Die Arbeiten werden in enger Kooperation zwischen vier taiwanesischen und drei deutschen Forschungsgruppen durchgeführt.

 

Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Projektleiter: Prof. Dr. Stefano Passerini

Ansprechpartner

Dr. Dominic Bresser

In-situ IPN-SPE

In-situ Polymerisation von Durchdringungsnetzwerken für den Aufbau von einheitlichen Festkörperelektrolyten.

 

Lithium-Ionen-Batterien mit einem Feststoffelektrolyten auf der Basis von Kunststoffen bieten im Vergleich zu konventionellen Zellen mehr Sicherheit, Flexibilität sowie geringere Kosten und Umweltbelastung bei der Herstellung. Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer einfachen Methode, welche den Aufbau des Polymerelektrolyten direkt im Kathodenmaterial erlaubt und ein neues Zelldesign ermöglicht. Die einheitliche, ionenleitende Polymerelektrolytmatrix kann dabei in engen Kontakt mit dem Aktivmaterial treten und sowohl die Funktion des Separators als auch des Binders übernehmen.

 

Das Projekt wird durch die Vector Stiftung gefördert.

Ansprechpartner

Dr. Alexander Hoefling

Li-EcoSafe

Entwicklung kostengünstiger und sicherer Lithium-Ionen-Batterien – Vom Material bis zur Betriebsstrategie

 

Die Verfügbarkeit sicherer, umweltverträglicher und kostengünstiger Lithium-Ionen-Batterien ist eine zentrale Herausforderung für die Elektromobilität und die Zwischenspeicherung regenerativer Energien. Stand der Technik sind Lithium-Ionen-Batterien, die hinsichtlich Kosten, Sicherheit und Verfügbarkeit der Materialien noch nicht vollständig den Anforderungen der Anwender entsprechen. Hauptziel des Vorhabens ist die Erhöhung der Zuverlässigkeit und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien entlang der kompletten Entwicklungslinie vom Material bis hin zur Betriebsstrategie. Dabei werden die folgenden Teilziele verfolgt:

 

• die Erhöhung der Betriebs-, Versorgungssicherheit und Umweltverträglichkeit durch Verwendung

neuer sicherer und verfügbarer Elektrodenmaterialien

• die Erhöhung der Stabilität der Elektroden/Elektrolytgrenzflächen

• die Weiterentwicklung neuer analytischer Methoden zur Material- und

Grenzflächencharakterisierung

• die Erhöhung der Systemsicherheit durch eine angepasste Betriebsstrategie

 

Das Projekt wird gefördert durch das BMBF.

Projektleiter: Prof. Dr. Stefano Passerini

Ansprechpartner

Matthias Künzel

LiInSe

Das Projekt verfolgt die Entwicklung von Lithium-Metall als Anode für Feststoffbatterien mit dem langfristigen Ziel, Batterien zu bauen, die zukünftige Automobilanforderungen erfüllen. Das allgemeine Ziel ist es, das Verhalten einer Lithium-Metall-Anode in einer sekundären Feststoffbatterie zu verstehen, um ihre sichere Anwendung in der Zukunft zu ermöglichen. Das Projekt konzentriert sich hauptsächlich auf die Bearbeitung der Anodenoberfläche für mehr Sicherheit und Leistung.

 

Das Projekt wird gefördert von BMW.

Projektleiter: Prof. Dr. Stefano Passerini

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Dr. Alberto Varzi

LiRichFCC

Das LiRichFCC-Projekt erforscht eine völlig neue Klasse von Materialien für die elektrochemische Energiespeicherung, die als "Li-rich FCC" bezeichnet wird und eine sehr hohe Konzentration an Lithium in einer kubisch dichten Packungsstruktur (FCC) umfasst. Der Prozess, bei dem Energie in diesen Materialien gespeichert wird, stellt einen Paradigmenwechsel im Design von Batteriematerialien dar und beinhaltet unerwartete und überraschend effektive Mechanismen: Anstatt Lithium-Ionen durch Einlagerung in einen stabilen Wirt zu speichern, bevölkern und verlassen Lithium-Ionen Gitterplätze des Materials selbst. Dieses neue Prinzip ermöglicht eine beispiellose Energie- und Leistungsdichte im Vergleich zu anderen Batteriematerialien und kann den Einsatz von Batterien in Anwendungen revolutionieren, bei denen große Mengen an Energie und Strom aus kleinen Räumen bereitgestellt werden müssen.

 

Neben dem HIU sind die französische Kommission für alternative Energien und Atomenergie, die Technische Universität Dänemark, die schwedische Universität Uppsala und das slowenische Kemijski-Institut beteiligt.

Gefördert wird das Projekt durch die Europäische Kommission.

Projektleiter: Prof. Dr. Maximilian Fichtner

Ansprechpartner

Prof. Dr. Maximilian Fichtner

LiSuSe

Ziel des Projekts ist es, die Kenntnisse über die Funktionsmechanismen von Feststoffbatterien und insbesondere über die komplexen Prozesse an den Fest-Fest-Schnittstellen in SS-Lithium-Schwefel-Batterien zu vertiefen. Die Aktivitäten konzentrieren sich insbesondere auf die positive Elektrode (Kathode). Mit Hilfe fortschrittlicher Charakterisierungstechniken wird der Kathodenreaktionsmechanismus eingehend untersucht und die Rolle der Kathodenarchitektur sorgfältig untersucht. Hauptziel ist es, eine hohe Schwefel-Ladung zu ermöglichen, die nach wie vor eine der größten Herausforderungen in diesem Bereich darstellt.

 

Das Projekt wird durch das Samsung Research Institute Japan (SRJ) gefördert.

Projektleiter: Prof. Dr. Stefano Passerini

Ansprechpartner

Dr. Alberto Varzi

MagSiMal

Ziel des Projektes "MagSiMal" ist es, eine hochzyklusstabile und ratenfähige Magnesium-Schwefel-Batterie zu erzeugen, die Kathodenmaterialien mit einem hohen Gehalt an kovalent gebundenem Schwefel beinhaltet; neue leitfähige Salze und Elektrolyte zu synthetisieren, die in einem breiten elektrochemischen Fenster stabil sind und (neben der gewünschten SEI-Bildung) chemisch und elektrochemisch inert sind. Darüber hinaus liegt ein Schwerpunkt auf der Aufklärung von Alterungsmechanismen innerhalb von Mg-S-Zellen und deren Einzelkomponenten (Anode, Kathode, Elektrolyt) mittels Post-Mortem-Analyseverfahren. Schließlich soll in diesem Projekt der Einfluss verschiedener Morphologien sowie die Oberflächenaktivierung von Mg-Anoden auf ihre elektrochemische Reaktion untersucht werden.

Das Projekt wird durch das BMBF gefördert.

Projektleiter: Prof. Dr. Maximilian Fichtner

Ansprechpartnerin

Dr. Zhirong Zhao-Karger

NEILLSBAT

Das Projekt NEILLSBAT - Nanostructured Electrodes and Ionic Liquid Electrolytes for Ultra High Energy Density Lithium Sulfur Batteries - zielt darauf ab, die Einschränkungen von Lithium-Schwefel-Batterien (LSB) zu überwinden durch die Entwicklung sicherer Hochleistungsanoden. Die Partner wollen nicht nur leistungsstarkes Elektrodenmaterial synthetisieren, sondern auch ein detailliertes Verständnis ihrer strukturellen und chemischen Entwicklung während des Batteriezyklus im Hinblick auf ihre weitere Modifikation und Optimierung erreichen.

Das Projekt wird gefördert durch die Europäische Kommission.

Projektleiter: Prof. Dr. Stefano Passerini

Ansprechpartner

Dr. Alberto Varzi

Si-DRIVE

Si-DRIVE (EU Horizon 2020 Project Number: 814464) ist ein europaweites Verbundprojekt, das innovative Lösungen zur Etablierung der Lithium-Ionen-Batterieproduktion in Europa vorsieht. Die breite Expertise des Konsortiums umfasst die gesamte Batterie-Wertschöpfungskette von Materialien, Modellierung und Synthese über elektrochemische Expertise, Prototypenherstellung und -validierung bis hin zu 2nd-Life-Anwendungen, Recycling und Nachhaltigkeitsbewertung, die von starken Industriepartnern beraten werden. Das neuartige Si-DRIVE-Zellenkonzept basiert ausschließlich auf umwelt- und wirtschaftsunkritischen Materialien und besteht aus einer Si-Aktivstoffanode, einem neuen Festelektrolyten auf Ionen-Flüssigkeitsbasis und einer hochleistungsfähigen, kobaltfreien, leicht-reichen Oxidschicht Kathode. HIU (KIT) leitet die Entwicklung dieses Kathodenmaterials in enger Zusammenarbeit mit dem ZSW, das für das Scale-up der Synthese des Materials verantwortlich ist.

 

Gefördert wird das Projekt durch die Europäische Kommission.

Projektleiter: Prof. Stefano Passerini

Ansprechpartner

Matthias Künzel

TRANSITION

Das TRANSITION-Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung leistungsstarker, flüssiger und polymerer Natrium-Ionen-Batterie (SIB)-Prototypen für den zukünftigen Einsatz in der Elektromobilität und stationären Energiespeicherung. Ziel ist es, praxisorientierte Lösungen zu entwickeln, um den SIB-Technologietransfer auf industrielles Niveau zu gewährleisten und damit einen wesentlichen Beitrag zu einem nachhaltigeren Energiespeichermarkt in Deutschland zu leisten. Die Forschungsanstrengungen umfassen die Entwicklung und Optimierung technisch relevanter aktiver Materialien und Elektrolyte, die in der nächsten Generation leistungsfähiger, umweltfreundlicher und kostengünstiger SIBs als Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden sollen.

 

Das Projekt wird durch das BMBF gefördert.

Projektleiter: Prof. Dr. Stefano Passerini

Ansprechpartnerin

Dr. Ivana Hasa

ULTIMATE

Das Projekt ULTIMATE - Ultracapacitors based on innovative materials for increased energy storage capacity - hat zum Ziel, die Energiespeicher- und Leistungsmerkmale von Doppelschichtkondensatoren durch Optimierung aller Materialien und Zellkomponenten (aktive und inaktive Materialien, Elektrolyt, Elektrodenstruktur) zu verbessern. Die Aktivitäten des Konsortiums decken die gesamte Wertschöpfungskette ab, von der Materialsynthese und -kombination über den Zellbau bis hin zur Anpassung der Produktionstechniken an ein Demonstratorsystem einschließlich des Funktionsnachweises.

ULTIMATE basiert auf den Erfahrungen der beiden BMBF-Vorgängerprojekte ActivCaps und IES sowie der internen Forschung von Skeleton auf dem Gebiet der carbidbasierten Kohlenstoffe (CDCs) und kombiniert diese zur Entwicklung neuartiger Komponenten mit verbesserten Eigenschaften.

Gefördert wird das Projekt durch das BMBF.

Projektleiter: Prof. Dr. Stefano Passerini

Ansprechpartner

Dr. Alberto Varzi

UniBat

Projektziel: Gedruckte Ionogele als neue Batterieelektrolyte in Batterien zu untersuchen

Aufgabe als Projektpartner:

  • Untersuchung/Bestimmung der ionischen Mobilität in gedruckten Ionogelen
  • Verwendung der Ionogele als Elektrolyt in Batterien und deren elektrochemische Charakterisierung
  • Herstellung von Polymerelektroden

 

Gefördert durch die DFG.

Projektleiter: Prof. Dr. Maximilian Fichtner

Ansprechpartner

Dr. Robert Lehmann

VIDICAT

VIDICAT ist ein vierjähriges Projekt, das durch die Entwicklung eines neuartigen kationenleitenden Elektrolyten nach einer praktischen wiederaufladbaren Kalziumbatterie (CaB) sucht. Ziel von VIDICAT ist es, eine neuartige Batterie auf Basis von Kalzium als mobiles Kation zu entwickeln und damit einen neuen Elektrolyten für diese Batterie zu entwickeln. Ein solcher Ansatz zielt darauf ab, eine sichere, leistungsfähige, kostengünstige und nachhaltige Batterietechnologie auf Kalziumbasis zu liefern.

 

Das Projekt wird durch die Europäische Kommission gefördert.

Projektleiter: Prof. Dr. Stefano Passerini

Ansprechpartner

Dr. Giuseppe Antonio Elia