Deutsch-Japanische Batterieforschung – neue Projekte gestartet

Die Projekte werden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und die New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) gefördert.
Im Einzelnen handelt es sich um folgende Projekte:

AReLiS-2: Analyse der Kathoden- und Elektrolytreaktionen in Lithium-Schwefel- und Lithium-Metallsulfid-Batterien-2 – Festkörperelektrolyte

Schwefel als Kathodenmaterial bietet eine hohe Kapazität, niedrige Rohstoffkosten, einen geringen ökologischen Fußabdruck und weltweit verteilte Rohstoffreserven. Der praktischen Anwendung steht die bislang noch rasante Alterung der Batteriezellen im Weg. Verschiedene Ansätze wie bei-spielsweise die Verwendung maßgeschneiderter Elektrolyte und Elektroden oder die Verwendung von Polymer- und Festkörperelektrolyten sollen die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Batterien verbessern. Die grundlegenden Prinzipien dieser Ansätze wurden im deutsch-japanischen Vorgän-gerprojekt „AReLiS“ untersucht, welches sich auf die Reaktionen der Kathoden mit flüssigen Elekt-rolyten konzentrierte. Für die Entwicklung langzeitstabiler Lithium-Schwefel-Batterien liegt großes Potenzial in der Verwendung reiner Polymer-, Fest- und Hybridelektrolyte. Hier setzt „AReLiS-2“ an: Das Projekt konzentriert sich auf die Charakterisierung grundlegender Mechanismen von Batterien, die mit schwefelhaltigen Kathoden sowie Polymer-, Festkörper- und Hybrid-Elektrolyten betrieben werden. Das Konsortium bringt weitreichende Erfahrungen aus den Bereichen der Materialwissen-schaft, der Zellherstellung sowie der instrumentellen chemischen Analytik zusammen. Erkenntnisse über diese entscheidenden Prozesse sollen den Weg für die Anwendung der Batteriesysteme der nächsten Generation ebnen.

Partner: Prof. Osaka, Waseda Univ. / Prof. Winter, WWU Muenster

SolidSafe: Solid State Battery Safety Testing

Mechanische Beschädigungen oder Hitzeeinwirkungen können bei Batterien dazu führen, dass es zu einem Brand oder einer Explosion kommt. Lithium-Ionen-Batterien mit Festkörperelektrolyten versprechen ein geringeres Sicherheitsrisiko als Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten, jedoch sind das volle Ausmaß des verbleibenden Sicherheitsrisikos und die zugrundeliegenden Me-chanismen im Inneren der Batterie noch nicht vollständig aufgeklärt. Im deutsch-japanischen Vorha-ben „SolidSafe“ werden dafür entsprechende Festkörperbatteriezellen aus verschiedenen Aus-gangsmaterialien hergestellt, charakterisiert und ausgiebigen Sicherheitstests in einer großen Varia-tion von Betriebsbedingungen unterzogen. Die experimentellen Daten werden in einer zentralen Datenbank gespeichert. Mittels 3D-Simulationen sollen zudem die zugrundeliegenden Vorgänge im Inneren der Festkörperbatterie bei Beschädigung, Überladung und Überhitzung näher beleuchtet werden, damit die Zahl der aufwändigen Sicherheitstests reduziert werden kann.

Partner: Prof. Abe, Kyoto Univ. / Prof. Tuebke, Fraunhofer ICT

InCa²: Grenzflächen in All-Solid-State-Kompositkathoden – Verbesserung der Leistung und Verständnis von Schutzschichten

Während die Material- und Prozesstechnologien zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten weit entwickelt sind, bedarf es zur erfolgreichen Etablierung von Festkörper-batterien noch erheblicher Forschungsaktivitäten. Sogenannte sulfidische Festelektrolyte sind auf-grund ihrer hohen Leitfähigkeit vielversprechende Kandidaten für den Einsatz in leistungsfähigen Elektrodenmaterialien, genauer den Kathodenkompositen. Sie besitzen jedoch bisher eine unzu-reichende Stabilität. Im deutsch-japanischen Vorhaben „InCa²“ sollen daher funktionale Beschich-tungen für die Kathodenmaterialien zur Erhöhung der Stabilität entwickelt und mittels maßgeschnei-derter Analytik systematisch untersucht werden. Dabei soll auch die Dicke der verwendeten Katho-denschicht und der sogenannte Füllgrad an Kathodenmaterial im Komposit und dessen Einfluss auf Kapazität und Leistungsfähigkeit der Batteriezelle eingehend analysiert werden. Im Vorhaben wird so ein detailliertes und quantitatives Verständnis der Wechselwirkungen und Alterungseffekte inner-halb der Kathodenkomposite aufgebaut, um die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit von Festkör-perbatterien zu erhöhen. Insgesamt trägt das Vorhaben „InCa²“ damit dazu bei, die Entwicklung von Festkörperbatterien mit ihrem großen Potenzial für die Elektromobilität wissensbasiert weiterzuent-wickeln.

Partner: Prof. Kanno, Tokyo Institute of Technology / Prof. Janek, JLU Giessen

OsabanPlus: Operando-Oberflächenanalytik für Batterien mit 3D-strukturierten Anoden mit hoher Leistung und längere Nutzungsdauer

Die Komponenten kommerzieller Lithium-Ionen-Batterien wurden in den letzten Jahrzehnten stetig verbessert. Mit der Zeit sind die Fortschritte dieser Entwicklung kleiner geworden. Das deutet darauf hin, dass das Leistungsmaximum der aktuell verwendeten Materialien bald erreicht wird. Um die Leistung und Lebensdauer zukünftiger Batterien weiter zu steigern wird daher der Einsatz neuartiger Elektroden unabdingbar. Für die erfolgreiche kommerzielle Verwendung von diesen neuartigen Ma-terialien in Batterien bedarf es gegenwärtig jedoch noch Forschungs- und Entwicklungsaufwand, insbesondere im Hinblick auf die Stabilität und Langlebigkeit. Hintergrund sind hierbei unter ande-rem die Nebenreaktionen des Elektrolyten an der Elektrode. Ein besseres Verständnis über die Pro-zesse an den Elektroden-Elektrolyt-Grenzschichten ist somit entscheidend für die weitere Entwick-lung von Elektroden.

Derartige Prozesse werden im deutsch-japanischen Projekt „OsabanPlus“ untersucht, um weiterfüh-rende Kenntnisse über Elektroden der nächsten Generation zu gewinnen. Es wird dabei verstärkt auf sogenannte 3D-strukturierte Konversionselektroden gesetzt. Diese werden mittels ope-rando-Analyse untersucht. Mit dem durch das Projekt gewonnenen Wissen können dann Ansätze generiert werden, wie die eingesetzten Materialien leistungsfähiger und langlebiger gestaltet verwendet wer-den können.

Partner: Prof. Abe, Kyoto Univ. / Prof. Schröder, TU Braunschweig

Bei Rückfragen steht Dr. Lothar Mennicken, Referatsleiter Wissenschaft und Technologie, Deutsche Botschaft Tokyo zur Verfügung.