53 + 1 Projekte in 7 Plattformen
Der Kompetenzcluster FestBatt besteht aus zehn Verbundprojekten in insgesamt sieben Plattformen. Die Plattformen werden von einem Koordinationsprojekt bei dem gemeinsamen Ziel des Kompetenzaufbaus für Festkörperbatterien und Festelektrolyte und deren Charakterisierung unterstützt.
Zellplattform Oxide
Keramische Festelektrolyte auf Basis der Oxidklasse bieten eine hohe Oxidationsstabilität und sind daher als Materialien für Kathodenkomposite und als direkte Beschichtungen von Kathodenaktivmaterialien attraktiv. Elektrolytwerkstoffe auf der Basis von Li7La3Zr2O12 (LLZO) sind einer der wenigen Stoffgruppen, die praktisch reduktionsstabil gegenüber Lithium-Metallanoden sind. Im Fokus dieser Plattform stehen neben der Herstellung und Optimierung von Oxid-Elektrolytwerkstoffen die Verarbeitung von Kathodenkompositen mit Oxid-Katholyten bis hin zu innovativen Vollzellkonzepten. Die Ziele fokussieren sich auf die Weiterentwicklung aller nötigen Materialen und Prozesse für die erfolgreiche Demonstration oxidkeramischer Zellen sowie hybride Zellkonzepte mit oxidischen Komponenten. Diese Plattform zielt zudem darauf ab, Herausforderungen des Co-Sinterns von Kathode und Festelektrolyt in der oxidkeramischen Prozesstechnik zu überwinden, beispielsweise indem Mischkathoden mittels aerosolbasierter Kaltabscheidung (PAD) entwickelt werden, um die Bildung schädlicher Interdiffusionsschichten bei erhöhten Temperaturen zu vermeiden.
FB2-AdBatt
A3 - Universität des Saarlandes, Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät
FB2-Oxid
O2 - Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS)
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Plattformkoordinator: Prof. O. Guillon
Forschungszentrum Jülich GmbH
Institut für Energie- und Klimaforschung – Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
Wilhelm-Johnen-Straße , 52425 Jülich
Zellplattform Polymere
In dieser Plattform werden Polymerelektrolyt-basierte Batteriezellkonzepte entwickelt, optimiert und erweitert, insbesondere zur Verbesserung der Schnellladefähigkeit und Senkung der Betriebstemperatur, wobei vor allem Konzepte mit Lithiummetallanoden, Ni-reichen NCM-Kathoden, hybride Zellen und solche mit „quasi-festen“ Polymerelektrolyten berücksichtigt werden. Diese Forschung zielt darauf ab, leistungsfähige, sichere, kostengünstige und umweltschonende Batterietechnologien zu realisieren. Die anwendungsnahe Entwicklung von Pouch-Zellen ohne äußere Druckeinwirkung spielt deshalb eine zentrale Rolle, um hohe Energiedichten im Batteriepack zu erreichen. Das Konsortium konzentriert sich dafür insbesondere auf das Design funktionaler Schichten, die Konzeptentwicklung zur Elektrodenstrukturierung, die Optimierung relevanter Verarbeitungsbedingungen, die Skalierung der Polymersynthesen, die Herstellung von Kompositkathoden und den Kompetenzaufbau über Fehlermechanismen und Ladungstransferprozesse innerhalb der Zellen. Die Entwicklung der Zellkonzepte und notwendigen Materialkombinationen werden in enger Zusammenarbeit mit den Methodenplattformen beschleunigt.
FB2-Poly
Kontakt
Plattformkoordinator: Prof. M. Winter
Forschungszentrum Jülich GmbH
Institut für Energie und Klimaforschung; Helmholtz-Institut Münster (HI MS): Ionics in Energy Storage (IEK-12)
Corrensstr. 46, 48149 Münster
Zellplattform Thiophosphate
Das zentrale Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung und erfolgreiche Realisierung von leistungsfähigen Festkörperbatterien auf Basis von Thiophosphat-Festelektrolyten. Dies erfordert die material- und prozessbasierte Optimierung und Anpassung aller Zellkomponenten (Elektroden, Festelektrolyte, Separatoren) und Vollzellen. Hierzu bildet das Konsortium die gesamte Forschungs- und Fertigungskette ab: Zum einen umfasst dies die chemische Optimierung der Thiophosphat-Festelektrolyte wie beispielsweise solchen auf Basis von Li6PS5Cl (LPSCl) und Li7SiPS8 (LiSiPS) und die Skalierung der Elektrolytsynthesen. Zum anderen adressiert die Plattform eine Verbesserung der Elektroden mit hoher spezifischer Kapazität und Ratenfähigkeit, die Präparation möglichst dünner Separatoren bis hin zur Assemblierung von Vollzellen mit hoher Energie und Leistungsdichte bei langer Lebensdauer mit geringem Kapazitätsverlust. Um kompetitive Batteriezellen zu etablieren, werden außerdem Konzepte mit Lithiummetallanode und mit Silizium-basierten Anoden sowie die thermische Sicherheit von Festkörperbatteriezellen auf Basis von Thiophosphaten im Konsortium evaluiert.
FB2-SAFE
S1 - Universität Münster, Institut für Anorganische und Analytische Chemie (IAAC)
FB2-SiSuFest
Si1 - Universität Münster, Institut für Anorganische und Analytische Chemie (IAAC)
Si2 - Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS)
Si4 - Justus-Liebig Universität Gießen, Physikalisch-Chemisches Institut (PCI)
FB2-Thio
T1 - Justus-Liebig Universität Gießen, Physikalisch-Chemisches Institut (PCI)
T2 - Universität Münster, Institut für Anorganische und Analytische Chemie (IAAC)
T3 - Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Nanochemie
T5 - Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST)
T6 - Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM)
T7 - Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS)
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Plattformkoordinator: Prof. J. Janek
Justus-Liebig-Universität Gießen
Physikalisch-Chemisches Institut
Heinrich-Buff-Ring 17, 35392 Gießen
Querschnittsplattform Hybride
Diese Querschnittsplattform forscht an der Entwicklung und Realisierung hybrider Zellkonzepte sowie Hybridelektrolyte, um die Vorteile unterschiedlicher Elektrolytklassen und Zellkonzepte zu vereinen. Hierbei stehen vor allem Arbeiten an Konzepten mit Lithiummetallanode und Ni-reichen NCM-Kathoden im Vordergrund, um schnellladefähige Zellen zu etablieren. Dafür bedarf es innovativer Strategien und durchdachte Zelldesigns. Hierfür werden vor allem Methoden zur Verarbeitung von Hybridseparatoren und zur Herstellung von Kompositkathoden erarbeitet, insbesondere unter Berücksichtigung der Reversibilität und Ratenfähigkeit. Die festen Hybridseparatoren werden aus Kombinationen von Polymeren mit Oxiden sowie Polymeren mit Thiophosphaten entwickelt und die Verarbeitungsbedingungen angepasster Festelektrolyte optimiert. So soll eine kontrollierte, sichere und reversible Energiespeicherung in Festkörperbatterien mit langer Lebensdauer ermöglicht werden. Die Entwicklungsarbeiten an unterschiedlichen Zellkonzepten und Materialkombinationen finden dabei in enger Zusammenarbeit mit den Zellplattformen statt und werden durch Kooperation mit den Methoden- sowie der Produktionsplattform beschleunigt.
FB2-Hybrid
H2 - Helmholtz-Institut Ulm (HIU)
H6 - Justus-Liebig Universität Gießen, Physikalisch-Chemisches Institut (PCI)
H7 - Universität Münster, Institut für Anorganische und Analytische Chemie (IAAC)
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Plattformkoordinator: PD Dr. G. Brunklaus
Forschungszentrum Jülich GmbH
Institut für Energie und Klimaforschung; Helmholtz-Institut Münster (HI MS): Ionics in Energy Storage (IEK-12)
Corrensstr. 46, 48149 Münster
Querschnittsplattform Produktion
Ein zentrales Ziel der Produktionsplattform ist die Entwicklung und Erforschung einer skalierbaren und qualitätsgesicherten Produktion leistungsfähiger Festkörperbatterien auf Basis der in den Zellplattformen untersuchten Festelektrolyte und Zellkonzepte zu ermöglichen. Hierzu bildet das Konsortium die gesamte Produktionskette im kleinen Pilotmaßstab ab – ausgehend von der Prozessierung von Kompositkathoden und Separatoren der verschiedenen Materialklassen mittels unterschiedlicher skalierbarer Ansätze, über die Assemblierung, den Zellbau und die Konditionierung sowie der elektrochemischen Charakterisierung bis hin zur ökonomischen und ökologischen Bewertung vollständiger Prozessketten. Die einzelnen Prozessschritte werden anhand von Entwicklungszellen untersucht, die sowohl industrierelevante Systeme abbilden als auch die exemplarische Untersuchung o.g. Fragestellungen ermöglichen sollen. Anders als die Zellplattformen liegt der Fokus hierbei nicht auf der Entwicklung, Optimierung und Realisierung von Festkörperbatteriezellen hinsichtlich ihrer elektrochemischen Performanz, sondern auf der industrienahen Untersuchung und Bewertung skalierbarer Produktionsprozesse mit Qualitätssicherung sowie der Ableitung konkreter Handlungsempfehlungen zur großskaligen Produktion von Festkörperbatterien.
FB2-Prod
Pr5 - Karlsruher Institut für Technologie (KIT), wbk Institut für Produktionstechnik
Pr6 - Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST)
Pr7 - Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM)
Pr8 - Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS)
Pr9 - Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS)
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Plattformkoordinator: Prof. A. Kwade
Technische Universität Braunschweig
Institut für Partikeltechnik iPat
Volkmaroder Straße 5, 38104 Braunschweig
Methodenplattform Charakterisierung
Dieses Konsortium übernimmt die Aufgaben der umfangreichen Charakterisierung und (Weiter-)Entwicklung von ex situ und in situ Charakterisierungsmethoden. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die Analyse von Grenzflächen für die weitere Forschung an Festkörperbatterien relevant werden. Dabei stehen im Konsortium vor allem das Verständnis der Stabilität und über Degradationsprozesse an den Grenzflächen zwischen Kathodenpartikeln, Festelektrolyten und weiteren Materialien im Kathodenkomposit im Vordergrund. Daraus werden geeignete Schutzmaßnahmen abgeleitet. Daher werden durch diese Plattform auch Kathodenaktivmaterialien mit reproduzierbaren und vollständig charakterisierten Schutzschichten als Referenzmaterialien für den Cluster entwickelt und bereitgestellt. Die Bewertung und Erarbeitung standardisierter Messverfahren für Festkörperbatterie-Vollzellen unterschiedlicher Zellkonzepte zählt ebenfalls zu den Aufgaben dieser Plattform.
FB2-Char
C1 - Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS)
C2 - Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung – Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
C3 - Philipps Universität Marburg
C4 - Justus-Liebig Universität Gießen, Physikalisch-Chemisches Institut (PCI)
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Plattformkoordinator: Prof. H. Ehrenberg
Karlsruher Institut für Technologie
Institut für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS)
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Methodenplattform Theorie und Daten
Eine durchgängige Simulationskette von der atomistischen Material- bis zur makroskopischen Zellskala ist erforderlich, um neue Zelldesigns für Festkörperbatterien simulationsgestützt entwickeln zu können. Existierende Batteriemodelle sind zu generisch, um z. B. komplexe Grenzflächenphänomene in hybriden Zelldesigns oder materialspezifische Beiträge zu Grenzflächenwiderständen zu erfassen. Für die Entwicklung materialspezifischer Batteriemodelle ist es entscheidend, die makroskopische Modelle materialspezifisch zu formulieren und durch Daten aus atomistischen Simulationen, gezielten Charakterisierungsexperimenten oder datengetrieben mit inverser Modellierung systematisch zu parametrisieren. Ziel dieser Plattform ist es daher, basierend auf den Ergebnissen in FestBatt und in Zusammenarbeit mit allen anderen Plattformen, die Instrumente für ein simulationsbasiertes Zelldesign auf die komplexen Zellkonzepte anzuwenden. Dazu sind die Weiterentwicklung und Kombination der Modelle, materialspezifische Computersimulationen und Anwendung von Datenanalysetechniken im Fokus. Zudem wird in diesem Konsortium zur Archivierung von Clusterdaten das Forschungsdatenrepositorium Kadi4Mat weiterentwickelt.
FB2-TheoDat
D2 - Technische Universität München
D3 - Technische Universität Darmstadt, Materialmodellierung
D5 - Universität Münster, Institut für physikalische Chemie (IPC)
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Plattformkoordinator: Prof. A. Latz
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Computergestützte Elektrochemie am HIU
Helmholtzstraße 11, 89081 Ulm
Begleitprojekt Koordination
Das Begleitprojekt unterstützt bei der clusterinternen Zusammenarbeit der Plattformen sowie der clusterexternen Vernetzung mit dem Managementkreis, dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), dem Projektträger, der Industrie und der breiten Öffentlichkeit.
FB2-Koord
K - Justus-Liebig Universität Gießen, Zentrum für Materialforschung (ZfM)
Kontakt
Dr. Felix Hartmann (wissenschaftliche Koordination)
Felix.Hartmann
lama.uni-giessen.de
Dr. Adrian Schürmann (technisch-admin. Koordination)
Adrian.Schuermannlama.uni-giessen.de
A1 - Universität Bayreuth, Bayerisches Zentrum für Batterietechnik (BayBatt) – Lehrstuhl für Funktionsmaterialien
Prof. R. Moos
Der Fokus des Teilprojektes liegt auf der Herstellung von Festkörperbatterien mittels Pulver-Aerosol-Deposition (PAD). Die PAD ist ein Raumtemperatur-Sprühbeschichtungsverfahren das dichte, keramische Schichten ohne anschließenden Hochtemperaturschritt (wie z.B. ein Sinterschritt) direkt aus dem keramischen Ausgangspulver erzeugen kann. Im Rahmen des Teilprojektes werden auf einen metallischen Ableiter die oxidischen Keramiken NMC (Kathodenaktivmaterial) und LLZO (Festelektrolyt) in folgender Reihenfolge abgeschieden: zuerst Kathodenaktivmaterial (NMC) auf dem metallischen Ableiter, darauf aufbauend eine gradierte Kathode (Mischung aus Kathodenaktivmaterial und Festelektrolyt) und abschließend reiner Festelektrolyt. Das Aufpressen von metallischem Lithium bildet den Abschluss der Vollzelle.
A2 - Universität Bayreuth, Bayerisches Zentrum für Batterietechnik (BayBatt) – Lehrstuhl Elektrische Energiesysteme
Prof. M. Danzer
Ziel der Arbeitsgruppe ist, neben der elektrochemischen Charakterisierung der von der AG Moos gefertigten PAD-Zellen, vor allem die simulationsbasierte Designoptimierung gradierter und nicht-gradierter Kompositelektroden. Hierzu wird das am Lehrstuhl entwickelte, diskrete, elektrochemische Elektrodenmodell modifiziert, um gradierte Elektroden mittels ortsabhängiger Parameter abzubilden. Ergänzend dazu wird das Modell anhand verschiedener Messungen im Frequenz- und Zeitbereich an Experimentalzellen unter variablen Betriebsbedingungen (Druck, Temperatur) parametriert und validiert. Dies ermöglicht eine mathematische Optimierung der Gradierung hinsichtlich unterschiedlicher Kriterien wie Entladekapazität oder Energiedichte. Dadurch wird der Elektrodenentwicklungsprozess der Projektpartner unterstützt und die Zahl der durchzuführenden Experimente reduziert. Bei der elektrochemischen Charakterisierung der Zellen und Komponenten liegt ein besonderer Fokus auf der Methode Elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) und der Analyse der Verteilung der Zeitkonstanten (DRT).
A3 - Universität des Saarlandes, Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät
PD Dr.-Ing. habil. Guido Falk
Das Teilvorhaben untersucht und validiert weiterentwickelte einfache, schnelle, kostengünstige, skalierbare und umweltfreundliche pulvertechnologische und verfahrenstechnische Prozesse der Festelektrolytsynthese sowie der Erzeugung Grenzflächen angepasster Kathodenkomposit-kombinationen mit besonderer Eignung und Prozessfähigkeit für die Realisierung des PAD-gestützten Zellkonzeptes. Aus den Ergebnissen der angepassten Verfahrens- und Prozessparameter sowie ausgewählter Grenzflächenzusammensetzungen auf LixMyOz-LLZO-Basis (M= Ce, Mg, Nb, Ta und Al) sollen dringend benötigte Daten abgeleitet werden, die eine Pulveraerosolabscheidung dicker (ca. 130 μm) als auch großflächiger Elektroden in Verbindung mit hochleitfähigen Festelektrolyten und elektrisch leitfähigen Additiven sicherstellen und ein gezieltes Grenzflächendesign der Mischkathodenpulver zur Erreichung niedriger Lade- und Entladeüberspannung, hoher Coulomb-Effizienz und Zyklenlebensdauer gewährleisten.
A4 - Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Materialien – Werkstoff- und Grenzflächenmechanik (IAM-MMI)
Dr. Reiner Mönig
Text folgt.
O1 - Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung – Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
Prof. O. Guillon
Prof. D. Fattakhova-Rohlfing
Das Teilprojekt FB2-Oxid beschäftigt sich auf der Materialebene mit der Weiterentwicklung von granatartigen Festkörperelektrolyten (LLZO) und Kathodenaktivmaterialien mit Schichtstruktur (NCM) speziell für die Anwendung in vollkeramischen und hybriden (polymerkeramischen) Festkörperbatterien. Dabei werden LLZO und NCM unteranderem auch über nasschemische kontinuierliche Methoden hergestellt und durch die Anpassung ihrer chemischen Zusammensetzung sowie durch Oberflächenbeschichtungen maßgeschneidert. Die Prozesskette kritischer Werkstoffe wird gesamtheitlich geprüft, inkl. Energieeinsatz bei Synthese und Weiterverarbeitung. Zur Weiterverarbeitung der oxidbasierten Materialen zu Zellkomponenten (Separatoren und Mischkathoden) werden neuartige, skalierbare, und energieoptimierte Herstellungsverfahren entwickelt. Die hergestellten Zellkomponenten werden anschließend zusammen mit einer Lithiummetallanode zu Vollzellen mit hoher Energiedichte kombiniert und eingehend elektrochemisch charakterisiert. Tiefergehende Analysen erfolgen in Kooperation mit der Querschnittsplattform FB2-Char. Die generierten Daten werden anschließend als Grundlage der Modellentwicklung und Validierung in der Querschnittsplattform FB2-TheoDat genutzt. Die im Projekt FB2-Oxid hergestellten Materialien und Zellkomponenten werden auch den anderen Teilprojekten zur Realisierung ihrer Vorhaben zur Verfügung gestellt.
O2 - Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS)
Dr. M. Partsch
Dr. M. Kusnezoff
Im Teilvorhaben werden keramische Vollzellen mit Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP) als Festelektrolyt und kostengünstigen Elektrodenmaterialien (LiFePO4 und Li4Ti5O12) entwickelt. Mehrlagige Schichtaufbauten werden durch unterschiedliche Gieß- und Drucktechniken (Tape Casting, Siebdruck) aufgetragen und durch eine innovative Sintertechnologie (Kaltsintern) bei geringen Temperaturen (T < 300 °C) und optimiertem Energieverbrauch hergestellt. Hohe ionische und elektronische Leitfähigkeit der Elektroden und geringe Dicke des Festelektrolytseparators stehen im Fokus. Hybride Zellkonzepte verschiedener Materialgruppen (keramischer Separator, Thiophosphat-basierte Kathode) werden realisiert und die Effekte an der Oxid- /Thiophosphat-Grenzfläche untersucht. Für diesen Zelltyp werden die nass-chemische Beschichtung von Kathodenaktivmaterialien mittels skalierbarer, kontinuierlicher Sprühtrocknung entwickelt. Darüber hinaus sollen Polymerschichten zwischen Li7La3Zr2O12 (LLZO) Separator und Li6PS5Cl (LPSC) Elektrolyt in der Kathode eingebracht werden, um hohe Ionenleitung bei niedrigem Druck zu ermöglichen. Ziel ist es, vorteilhafte Materialeigenschaften der Oxide (elektrochemische Stabilität) und Thiophosphate (ionische Leitfähigkeit) in einem hybriden Zellkonzept zu verknüpfen.
Oxidische Festkörperbatteriezellen wurden in der Regel mit einer Separator-gestützten Zellarchitektur untersucht, jedoch begrenzt die Dicke des Separators die Energiedichte der Zelle und ihre praktische Anwendung. In diesen Teilprojekten besteht das Ziel darin, energiedichte oxidische Festkörperbatteriezellen herzustellen, indem eine dünnfilmbasierte Lithium-Lanthan-Zirkonat (LLZO)-Elektrolytschicht auf einer kathodenunterstützten Zellarchitektur verwendet wird. Es werden neuartige Herstellungsverfahren untersucht, bei denen die Elektrolytschicht auf einen freistehenden gesinterten Kathodensubstrat aufgebracht wird. Die gepulste Laserdeposition (PLD) wird verwendet, um die Verarbeitungstemperatur des Elektrolyts zu senken und eine Reduzierung der Schichtdicke auf wenige Mikrometer zu erreichen. Ein Schwerpunkt liegt darauf, den Einfluss des Kathodensubstrats (Mikrostruktur, Zusammensetzung) und der Elektrolytschichtdicke auf die ionische Leitfähigkeit, Mikrostruktur, Grenzflächenwiderstand und elektrochemische Leistung für die Halbzellkonfiguration der Kathode und die Vollzelle mit Lithium-Metall-Anode zu untersuchen.
P1 - Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie und Klimaforschung; Helmholtz-Institut Münster (HI MS): Ionics in Energy Storage (IEK-12)
Prof. M. Winter
PD Dr. G. Brunklaus
Prof. H. Wiemhöfer
Text folgt.
Die Arbeiten am HIU im Rahmen von FB2-Poly bauen auf den bereits sehr guten Ergebnissen von FestBatt-1 auf. Die Ziele sind die erfolgreiche Weiterentwicklung Optimierung und Skalierung der vielversprechendsten Polymerelektrolytsysteme – sowohl via sogenannter „Einzelschichten“-Lösungen als auch durch die synergetische Kombination verschiedener Polymersysteme in „Mehrschichten“-Lösungen. Komplementär hierzu sollen makromolekulare Funktionsschichten die Grenzfläche zur Lithiummetall-Anode und Kathode stabilisieren und für einen effizienten Ladungsübergang sorgen. Die Arbeiten werden begleitet durch eine umfassende und systematische physikochemische und elektrochemische Charakterisierung und Ringversuche, um sicherzustellen, dass die erzielten Ergebnisse personen- und maschinen-unabhängig erhalten werden können.
P3 - Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP)
Prof. P. Théato
Dr. D. Voll
Text folgt.
Text folgt.
S1 - Universität Münster, Institut für Anorganische und Analytische Chemie (IAAC)
Prof. W. Zeier
Text folgt.
S2 - Justus-Liebig Universität Gießen, Physikalisch-Chemisches Institut (PCI) & Institut für Anorganische und Analytische Chemie (IAAC)
Prof. J. Janek
Prof. M. Lepple
Text folgt.
S3 - Technische Universität München, Lehrstuhl für Technische Elektrochemie & Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik
Prof. H. Gasteiger
Prof. A. Jossen
Text folgt.
Si1 - Universität Münster, Institut für Anorganische und Analytische Chemie (IAAC)
Prof. W. Zeier
Text folgt.
Si2 - Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS)
Dr. H. Althues
Dr. F. Hippauf
Ziel des Teilvorhabens am Fraunhofer IWS ist die Entwicklung von Komponenten und Zellen für die Si/SiNx-Festkörperzellen basierend auf skalierbaren Prozessen. Der Aufbau und Test mehrlagiger Pouchzellen soll eine Anwendungsnahe Bewertung des Zellsystems erlauben. Zu den Teilzielen gehört die Entwicklung einer lösungsmittelfreien Prozessroute zur Herstellung von Anodensheets. Das IWS kann dabei auf die eigene DRYtraec-Technologie zurückgreifen. Verfahren zur Herstellung von Kathoden und Festelektrolytmembranen werden bereits in FestBatt-Prod entwickelt und in SuSiFest können diese Rezepturen übernommen und spezifisch angepasst werden. Das IWS übernimmt zudem die Assemblierung von einlagigen und mehrlagigen Batteriezellen sowie deren elektrochemische Charakterisierung. Dabei werden durch operando Dickenmonitoring und Untersuchungen zum Einfluss externer Betriebsbedingungen (Druck, Temperatur) die Zellen anwendungsnah bewertet.
Si3 - Universität Duisburg-Essen, Institut für Energie- und Materialprozesse – Reaktive Fluide (EMPI-RF)
Prof. H. Wiggers
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Text folgt.
Si4 - Justus-Liebig Universität Gießen, Physikalisch-Chemisches Institut (PCI)
Prof. J. Janek
Dr. J. Sann
Text folgt.
T1 - Justus-Liebig Universität Gießen, Physikalisch-Chemisches Institut (PCI)
Prof. J. Janek
In diesem Teilprojekt werden Zellkomponenten wie Kompositelektroden und Separatoren mit Thiophosphat-Festelektrolyten der Projektpartner gefertigt. Diese werden umfassend elektrochemisch und mikrostrukturell untersucht, um die Limitierungen der Zellkomponenten identifizieren zu können. Durch die Ergebnisse können die Materialien und Verarbeitungsverfahren optimiert werden. Die optimierten Zellkomponenten werden in Vollzellen eingesetzt und getestet, um die Leistungsfähigkeit von Festkörperbatterien bestimmen und die Betriebsfenster definieren zu können. So sollen optimierte Festkörperbatterien auf Basis von Thiophosphat-Festelektrolyten entwickelt werden. Pouchzell-Festkörperbatterien gefertigt und chemisch, wie auch elektrochemisch charakterisiert.
T2 - Universität Münster, Institut für Anorganische und Analytische Chemie (IAAC)
Prof. W. Zeier
Der Arbeitskreis Zeier am Institut für Anorganische und Analytische Chemie an der Universität Münster erforscht schwerpunktmäßig elektrochemische Prozesse in Hinblick auf die Festkörperionik und die Charakterisierung von Festelektrolyten und Feststoffbatterien. Um den inneren Widerstand der Festelektrolyte gegenüber des Kathodenaktivmaterials zu reduzieren werden Festelektrolyte durch Substitution hinsichtlich ihrer Leitfähigkeit optimiert. Dabei werden Substitutionen an sulfidischen Argyrodit und halogenidischen Festelektrolyten vorgenommen. Diese hergestellten Festelektrolyte besitzen anschließend höhere Leitfähigkeiten, um eine gute Übertragung und Kontakt zur Kathode zu garantieren. Des Weiteren werden Festelektrolyte hergestellt, welche durch Element- und Additivmodifikation gezielt eine Abreaktionsschicht an der Grenzfläche zur Kathode erzeugen. Ziel ist somit ein Design der Zusammensetzung der Abreaktionsschicht zwischen Festelektrolyt und Kathodenaktivmaterialien.
Das Ziel des Teilprojekts ist vorrangig die Entwicklung von leitfähigkeitsoptimierten sulfidischen Lithium-Festelektrolyten im Zusammenspiel mit Anoden- und Kathodenmaterialien. Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf die Entwicklung skalierbarer Synthese- und Prozessierungkonzepte für Separatoren, als auch für Katholyten in Festkörperbatterien gelegt. Außerdem werden die für den Erfolg von Festkörperbatterien ausschlaggebenden Aspekte der Flächenbeladung zur Erhöhung der Energiedichte, der Luftstabilität und Langzeitstabilität zur Verbesserung der Zyklenstabilität, als auch der Mikrostrukturkontrolle untersucht.
T4 - Technische Universität Braunschweig, Institut für Partikeltechnik (iPAT)
Prof. A. Kwade
Dr. P. Michalowski
Ziel des Teilvorhabens ist die Entwicklung und Bewertung skalierbarer Prozessrouten entlang der Wertschöpfungskette von der Materialsynthese bis hin zum Zellbau von sulfidbasierten Feststoffbatterien. Aufbauend auf den Erkenntnissen vorangegangener Projekte sollen die Herstellung von Separatoren und Kompositkathoden mittels lösungsmittelbasierter, sowie lösungsmittelfreier Routen weiter vertieft und optimiert werden. Adressierte Optimierungen liegen beispielsweise in der Verringerung der Separatordicke oder der Optimierung der Mikrostruktur der Kompositkathoden. Zudem werden neue, alternative Prozessrouten berücksichtigt, wie die Prozessierung von Kompositanoden für Li-freie Zellkonzepte. Die Prozesse werden dabei iterativ unter Berücksichtigung von Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen entwickelt. Die hergestellten Separatoren und Kompositelektroden werden dafür prozessbegleitend in Pouchzellen charakterisiert und bewertet.
T5 - Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST)
Prof. C. Herrmann
Prof. S. Zellmer
Sulfidische Festelektrolyte bzw. Thiophosphate zeigen aktuell die höchsten ionischen Leitfähigkeiten, jedoch zu hohen Kosten, welche unter anderem durch kleinskalige und zeitintensive Syntheseprozesse entstehen. Industriell skalierbare Produktionsprozesse dieser Elektrolyte sind bisher kaum etabliert. Neben der Materialherstellung stellt auch die Verarbeitung der Elektrolyte in einer Kompositkathode prozesstechnische Herausforderungen dar, deren Umsetzung durch verschiedene Routen, wie die Trocken- und Nassbeschichtung oder Druckprozesse denkbar ist. Die Ziele des FestBatt-Teilprojekts am Fraunhofer IST sind daher, die Weiterentwicklung und Optimierung der skalierbaren mechanochemischen Syntheseroute, welche im Rahmen von FestBatt 1 entwickelt wurde, und die Untersuchung eines Siebdruckprozesses von sulfidbasierten Kathoden für Festkörperbatterien.
T6 - Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM)
Dr. I. Bardenhagen
Dr.-Ing. M. Gockeln
In diesenm Teilprojekt innerhalb der Zellplattform Thiophosphate liegt der Fokus der Entwicklungsarbeiten auf der Prozessierung von thiophosphat-basierten Separatoren mittels skalierbarer Methoden. Das Ziel ist dabei dünne Separatoren mit hohen ionischen Leitfähigkeiten fertigen zu können. Dafür wird insbesondere die Verwendung einer Schlitzdüsenbeschichtung als neuartiger Ansatz verfolgt. Am Fraunhofer IFAM werden zum einen chemisch stabile und rheologisch angepasste Slurries hergestellt und zum anderen die Prozessparameter evaluiert. Zusätzlich gilt es diese Methode auch für den Zellbau direkt einzusetzen, indem Separatoren direkt auf Kompositelektroden beschichtet werden.
T7 - Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS)
Dr. H. Althues
Dr. S. Dörfler
In der Materialplattform »Thiophosphate« entwickeln Forschende des Fraunhofer IWS die Prozesse und Zellen für ein neues Anodenkonzept auf Basis poröser Kohlenstoffe. Mit diesem Ansatz soll ein grundlegendes Problem der Lithium-Metall-Anode (morphologische Instabilität oberhalb kritischer Stromdichte) gelöst werden. Aus der 2-dimensionalen wird durch das Kohlenstoffgerüst eine 3-dimensionale Grenzfläche an der sich metallisches Lithium reversibel abscheiden kann. Bei Erfolg können zudem die Dickenänderung der Zellen und die Notwendigkeit externen Druck zu applizieren maßgeblich reduziert werden.
In der Materialplattform »Thiophosphate« entwickeln Forschende der TU Dresden die Materialien für ein neues Anodenkonzept auf Basis poröser Kohlenstoffe. Ziel ist, mit einem Kohlenstoffgerüst eine 3-dimensionale Grenzfläche zu erzeugen an der sich metallisches Lithium reversibel abscheiden kann. Die Materialien werden mit strukturellen Charakterisierungsmethoden und elektrochemischen Untersuchungen in sulfidischen Festkörperzellen bewertet. Die Verarbeitung und Integration in Pouchzellen erfolgt in Kooperation mit dem Fraunhofer IWS.
H1 - Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie und Klimaforschung; Helmholtz-Institut Münster (HI MS): Ionics in Energy Storage (IEK-12)
PD Dr. G. Brunklaus
Prof. M. Winter
Dr. N. Vargas-Barbosa
Text folgt.
Die Arbeiten am HIU im Rahmen von FB2-Hybrid bauen auf den bereits sehr guten Ergebnissen zur Entwicklung von Polymer-basierten Elektrolytsystemen in FestBatt-1 auf. Die Ziele sind die erfolgreiche Entwicklung, Optimierung und Validierung intelligenter Hybridelektrolytsysteme basierend auf einer keramischen und einer polymeren Phase. Hierfür werden verschiedene Zellkonzepte und Elektrolytarchitekturen entwickelt, wobei der Fokus der Arbeiten am HIU auf der Entwicklung geeigneter polymerer Phasen für solche Systeme liegt, inklusive der Einbringung in die keramische Phase bzw. vice versa. Die Arbeiten werden begleitet durch eine umfassende und systematische physikochemische und elektrochemische Charakterisierung und Ringversuche, um sicherzustellen, dass die erzielten Ergebnisse personen- und maschinen-unabhängig erhalten werden können.
H3 - Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP)
Prof. P. Théato
Dr. D. Voll
Text folgt.
H4 - Universität Duisburg-Essen, Institut für Energie- und Materialprozesse – Reaktive Fluide (EMPI-RF)
Prof. H. Wiggers
Prof. C. Schulz
Dieses Teilvorhabens adressiert das Materialdesign oxidischer Festelektrolyt-Partikel für Polymer/Oxid Hybridelektrolyte durch Dotierung und Funktionalisierung. Die oxidischen Partikel dienen zur Herstellung von Polymer/Oxid-Hybridelektrolyten (Keramik-in-Polymer, CIP und Polymer-in-Keramik, PIC) und sollen mit den Polymeren sowohl zu homogenen gemischten als auch zu Gradienten-Schichten prozessiert werden. Durch die Hybrid-Elektrolyte soll eine gute Kopplung an Anode und Kathode ermöglicht werden, die Gradienten-Schichten sollen darüber hinaus das Dendritenwachstum unterbinden. Ziel sind Hybridmaterialieninden, die eine gute mechanische Stabilität und eine hohe ionische Leitfähigkeit aufweisen. Die Entwicklung der notwendigen Materialkombinationen erfolgt in enger Zusammenarbeit mit der Methodenplattform Theorie & Daten und der Zellplattform Polymere.
H5 - Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung – Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
Prof. D. Fattakhova
Dr. M. Finsterbusch
Text folgt.
H6 - Justus-Liebig Universität Gießen, Physikalisch-Chemisches Institut (PCI)
Prof. J. Janek
Dr. F. H. Richter
In diesem Teilprojekt wird in erster Linie die Grenzfläche von Lithiummetall mit hybriden Festelektrolyten betrachtet. Dabei wird insbesondere die Entwicklung der sogenannten „anodenfreien“ Abscheidung von Lithium auf dem Festelektrolytseparator angestrebt. Außerdem sollen Zellen im Pouch-Format hergestellt und elektrochemisch getestet werden. Hierzu ist die Entwicklung des Foliengießverfahrens für Thiophosphat-Feststoffbatterien und die Identifizierung der richtigen Polymerart, -eigenschaften, -menge und -zusammensetzung relevant. Um diese Ziele zu erreichen, erscheint der Einsatz von Polymerelektrolyten in Verbundwerkstoffen aufgrund ihrer vielseitigen mechanischen Eigenschaften sinnvoll. Ziel ist es, innovative Lösungen zu entwickeln, die niedrige Grenzflächenwiderstände und eine leistungsstarke Festkörperbatterie ermöglichen.
H7 - Universität Münster, Institut für Anorganische und Analytische Chemie (IAAC)
Prof. W. Zeier
Das zentrale Ziel der Hybridplattform in der Arbeitsgruppe Zeier ist die Entwicklung von Thiophosphat-Polymer-Hybrid-Separatormembranen für Festkörperbatterien durch Lösungsprozessierung des Festelektrolyten. Durch die Kombination beider Materialklassen könnten die Herausforderungen wie Dendritenwachstum, Rissbildung, hohe Dicke der Festelektrolytschicht oder Verarbeitbarkeit angegangen werden. Allerdings ist dies mit enormen Herausforderungen verbunden. So sind beispielsweise die Entwicklung geeigneter Herstellungsverfahren, wie die Infiltration kommerzieller poröser Polymermembranen, die Suche nach chemischer und elektrochemischer Kompatibilität von Polymer, Thiophosphat und Lösungsmitteln oder die Vermeidung von zusätzlich auftretenden Phasengrenzen während des Herstellungsprozesses entscheidend. Spektroskopische, gravimetrische, mikroskopische und elektrochemische Techniken werden eingesetzt, um diese Membranen zu analysieren. Ob hybride Festelektrolytsysteme mit konventionellen Keramiken sowie Polymeren mithalten können, ist eine der grundlegenden Fragen, mit denen sich der AK Zeier am Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Münster und die FestBatt Hybrid-Plattform beschäftigen.
Das Ziel dieses Teilprojekts ist die Entwicklung eines Trockenbeschichtungsverfahren zur Fertigung von hybriden Separatorschichten sowie hybrider Kathoden. Hierzu werden aus Polymer- , Keramik- und Kathodenaktivmaterial homogene Pulvermischungen hergestellt und diese in einem Heißpressverfahren zu dichten Zellkomponenten verarbeitet. Neben der Entwicklung der wesentlichen Prozess Schritte (Mischen, Pulverdosierung, Verdichten) wird auch die Möglichkeit zum Aufbau von Mehrlagenschichten untersucht. Zur Validierung der Ergebnisse sollen aus den am ISIT gefertigten Komponenten Zellen gefertigt und elektrochemisch charakterisiert werden.
Pr1 - Technische Universität Braunschweig, Battery LabFactory Braunschweig (BLB), Institut für Partikeltechnik (iPAT)
Prof. A. Kwade
Dr. P. Michalowski
Ziel der Arbeiten am Institut für Partikeltechnik ist die reproduzierbare Herstellung von Kathoden auf Basis verschiedener Festelektrolyte unter ökologischer und ökonomischer Bewertung der Prozesskette. Für einzelne Prozessschritte werden abhängig von der Materialklasse Prozessfenster identifiziert und durch gezielte Variation der Prozessparameter und nachfolgende Charakterisierung der Komponenten Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen abgeleitet. Der Fokus liegt bei allen Arbeiten auf einer industrienahen Untersuchung und Bewertung skalierbarer Produktionsprozesse mit Qualitätssicherung sowie der Ableitung konkreter Handlungsempfehlungen zur großskaligen Produktion von SSB.
Pr2 - Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung – Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
Prof. O. Guillon
Dr. M. Finsterbusch
Text folgt.
Pr3 - Technische Universität München, Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb)
Prof. R. Daub
Zentrales Ziel der Produktionsplattform ist die Erforschung und Entwicklung einer skalierbaren, qualitätsgesicherten Produktion von Hochleistungs-Festkörperbatterien auf der Basis der in den Zellplattformen untersuchten Festelektrolyte. Hierbei liegt der Fokus auf der industrienahen Untersuchung und Bewertung geeigneter Produktionsprozesse sowie der Ableitung konkreter Handlungsempfehlungen für die industrielle Produktion von Festkörperbatterien. Zunächst wird eine technische Bewertung verschiedener Prozessrouten zur Produktion von Festkörperbatterien durchgeführt. Auf Basis der Ergebnisse werden Quality Gates für die geeigneten Prozessrouten abgeleitet. Anschließend wird neuartige Inline-Sensorik an einer geeigneten Stelle im Herstellungsprozess implementiert. Der Fokus der Untersuchungen liegt auf der Zellmontage und -konditionierung.
Pr4 - Technische Universität Braunschweig, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF)
Prof. Klaus Dröder
Zentrales Ziel des Teilvorhabens ist die Entwicklung und Erforschung einer skalierbaren qualitätsgesicherten Produktion leistungsfähiger Festkörperbatterien (SSB) auf Basis der in den Zellplattformen untersuchten Festelektrolyte (SE). Innerhalb des Teilvorhabens wird die Prozessierung von Kompositkathoden der verschiedenen Materialklassen mittels skalierbarer Ansätze, sowie die Assemblierung und der Zellbau untersucht. Durch eine strukturelle und elektrochemische Charakterisierung anhand von Entwicklungszellen, soll eine Bewertung des Kathodenproduktionsprozesses, sowie der Zellproduktion durchgeführt werden. Das Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik erarbeitet auf Basis einer Charakterisierung der handhabungsrelevanten Materialeigenschaften (z. B. mechanische Steifigkeit, Abriebfestigkeit) geeignete Handhabungsprozesse und Qualitätskontrollen für die Zellassemblierung. Mithilfe der daraus resultierenden Produktion im Pilotmaßstab werden mehrlagige Zellen aufgebaut und der Einfluss prozessimmanenter Belastungen (z. B. mechanische Belastungen, Partikelkontamination) auf die elektrochemische Leistungsfähigkeit der Zellen analysiert. Zusätzlich werden die Auswirkungen der Ablagegenauigkeit und die der Prozessatmosphäre in der Stapelbildung bezogen auf die Zellperformance untersucht. Der Fokus liegt hierbei auf einer industrienahen Untersuchung und Bewertung skalierbarer Produktionsprozesse mit Qualitätssicherung sowie der Ableitung konkreter Handlungsempfehlungen zur großskaligen Produktion von SSB.
Pr5 - Karlsruher Institut für Technologie (KIT), wbk Institut für Produktionstechnik
Prof. J. Fleischer
Das Forschungsvorhaben FB2-Prod verfolgt das übergeordnete Ziel eine skalierbare und qualitätsgesicherte Produktion leistungsfähiger Festkörperbatterien auf Basis der in den Zellplattformen erforschten Festelektrolyte zu untersuchen und voranzubringen. Innerhalb des Projektkonsortiums wird die gesamte Prozesskette im Pilotmaßstab abgedeckt, sodass die Hauptaufgabe in der Untersuchung der Produktionsprozesse durch eine möglichst industrienahe Abbildung in Form von Entwicklungszellen liegt. Das wbk bringt seine Kompetenzen in der Produktionstechnik und speziell in der Handhabung biegeschlaffer Teile bei der Erforschung des Assemblierverhaltens von Einzelblättern ein. Forschungsgegenstand des Teilvorhabens des wbk ist die Untersuchung der Umrüstbarkeit einer format- und materialflexiblen Assemblierungsanlage beim Wechsel von konventionellen LIB zu SSB. Im Rahmen dessen soll ein Prozessablaufmodell erstellt werden sowie anhand von gezielten Versuchen mit einem Greifer-Prototypen die Eignung dessen zur Stapelbildung bewertet werden.
Pr6 - Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST)
Prof. C. Herrmann
Prof. S. Zellmer
Verbesserte elektrochemische Energiespeicher mit hoher Lebensdauer sind grundsätzlich ein wichtiger Beitrag zur nachhaltigen Wirtschaft. Die Festkörperbatterie hat im Erfolgsfall eine Reihe von Vorteilen: Im entladenen Zustand wären Zellen mit reservoir-freier Anode kostengünstiger und mit geringerem Energieeinsatz zu produzieren. Die Verwendung eines Festelektrolyten vermeidet den Einsatz fluorhaltiger Leitsalze und Binder. Allerdings lässt sich eine „grüne Batterie“ nicht allein über die Materialentwicklung realisieren, in gleichem Maße ist parallel auch deren Produktion nachhaltig zu entwickeln und zu gestalten. Die Produktionsphase stellt im Lebenszyklus einer Batterie den größten Einfluss auf die Kosten- und Umweltwirkungen dar. Die Ziele des FestBatt-Teilprojekts am Fraunhofer IST sind daher, die Prozess- und Produktionsentwicklungen zu begleiten und aus ökologischer wie ökonomischer Perspektive einzuordnen. Dabei werden Hotspots identifiziert und Unterstützung in der Entscheidungsfindung hin zu einer nachhaltigen, öko-effizienten Produktion gegeben.
Pr7 - Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM)
Dr.-Ing. J. Schwenzel
Dr.-Ing. F. Langer
Für die Etablierung eines Fertigungsprozesses für Polymerseparatoren werden unterschiedliche Beschichtungsprozesse evaluiert. Die Eignung unterschiedlicher Verfahren (Rakeln, Schlitzdüse, Drucken) für ausgewählte Polymerelektrolyte sowie der Einfluss der Prozessparametern auf die Schichtqualität wird dabei untersucht und bewertet. Dabei werden Prozesse sowohl zur Fertigung von freistehenden Polymerseparatoren als auch zum direkten Auftrag auf Kompositkathoden betrachtet. Ziel ist die Entwicklung eines Prozesses zur reproduzierbaren Herstellung von Separatorschichten.
Pr8 - Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS)
Dr. H. Althues
In der Plattform »Produktion« arbeitet das Fraunhofer IWS an der lösungsmittelfreien Fertigung von Kompositkathoden (Thiophosphat/NMC) und sulfidischen Separatoren. Das Verfahren soll in einem kontinuierlichen Pulver-zu-Rolle-Prozess demonstriert werden und ist somit ein weiteres Beispiel für die Anwendungsmöglichkeiten der DRYtraec®-Technologie.
Pr9 - Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS)
Dr.-Ing. K. Nikolowski
Dr.-Ing. M. Partsch
Zentrales Ziel des Teilprojekts ist die Entwicklung und Erforschung einer skalierbaren qualitätsgesicherten Produktion leistungsfähiger Festkörperbatterien auf Basis der in den Zellplattformen untersuchten Festelektrolyte. Ein wichtiger Aspekt ist die Untersuchung und Entwicklung von Konditionierungsstrategien für Festkörperbatterien, wobei die Einflüsse unterschiedlicher Konditionierungsparameter (Druck, Temperatur, Stromdichte …) auf der Zellperformance evaluiert werden. Die Konditionierungsprotokolle werden im Hinblick auf die produktionstechnischen Herausforderungen bei der Umsetzung bewertet. Basierend auf dem konditionierungsrelevanten elektrochemischen Prozesse werden Vorschläge für End-of-line Tests abgeleitet. Weiterhin wird untersucht, inwieweit sich End-of-line Tests mit den optimierten Konditionierungsstrategien kombinieren lassen, um somit Wege für eine ökonomischere Fertigung aufzuzeigen.
C1 - Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS)
Prof. H. Ehrenberg
Dr. A. Hansen
In diesem Projekt werden beschichtete Kathodenmaterialien für FestBatt2 hergestellt und mittels Röntgenbeugung charakterisiert. Ziel ist es, für alle Projektpartner Kathodenmaterial mit reproduzierbaren und charakterisierten Schutzschichten bereitzustellen. Das AP1 (KIT, IAM-ESS) liefert und optimiert beschichtetes Referenzkathodenmaterial je nach Zelltyp und Erkenntnisfortschritt. Der Beschichtungsprozess wird auf kg-Maßstab skaliert. Das AP2 (KIT, IAM-ESS) untersucht Phasenbildung und Struktur der Materialien inklusive etwaiger Defekte. Dabei werden die Materialien auch in Bezug auf Temperatur- und Zyklenstabilität untersucht. Die erhaltenen Strukturdaten werden einerseits der Plattform ‚Daten‘ zur Erfassung innerhalb der Datenbank Kadi4Mat und zur Modellierung erfolgversprechender Materialien zur Verfügung gestellt. Andererseits werden die Ergebnisse direkt in die Optimierung und Anpassung der Prozess- und Syntheserouten der Materialplattformen einfließen.
C2 - Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung – Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
Prof. F. Hausen
In diesem Teilprojekt werden mit Hilfe der ESM (Electrochemical Strain Microscopy), einer Methode der Rasterkraftmikroskopie, Rückschlusse auf die Mobilität von Lithiumionen in Batteriematerialien gezogen. Hierzu wird ein Wechselspannungsfeld zwischen der Spitze des Federarms und der Probe angelegt. Die Folge dieses Feldes ist eine periodische Oszillation der Ionen synchron zum Feld, welche dann eine Bewegung auf die Spitze, die im Kontakt mit der Oberfläche steht, übertragt und so gemessen werden kann. Aus der Amplitude und der Phase lassen sich die lokale Heterogenität der Li-Ionen Leitfähigkeit und Materialkontraste ableiten.
Ziel des Teilprojekts ist die quantitative strukturelle Charakterisierung von ASSB Materialien von Mikrometer- bis hin zur atomaren Skala. Darüber trägt das Projekt natürlich auch zur Schaffung einer Datenbasis bei. Zum einen werden die globale Struktur, Kristallitorientierung und Zusammensetzung der Komposite und der Beschichtungen („coatings“) mittels elektronenmikroskopischer Methoden quantifiziert, zum anderen werden auch die atomare Anordnung und lokale Zusammensetzungen an verschiedenen Grenzflächen adressiert. Wie bisher werden auch Materialien aus den Materialplattformen charakterisiert und darüber hinaus in-situ Experimente zum Verständnis der Prozesse beim Zyklieren und bei thermischer Last beitragen.
C4 - Justus-Liebig Universität Gießen, Physikalisch-Chemisches Institut (PCI)
Prof. J. Janek
Dr. A. Henß
Dr. J. Sann
Das Teilprojekt hat die zentralen Ziele, die inneren Grenzflächen und das daraus abgeleitete Verständnis der Grenzflächenreaktionen in Festkörperbatterien umfassenden zu charakterisieren. Der Bau leistungsfähiger Festkörperbatterien erfordert zum einen den Einsatz von Kathodenkompositen, zum anderen effiziente Anodenkonzepte. Das Teilprojekt beschäftigt sich daher speziell mit den komplexen Grenzflächen in Kathodenkompositen sowie der Grenzflächen zwischen Festelektrolyt-Separator und Lithium in “anodenfreien” Zellen.
C5 - Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Materialien – Elektrochemische Technologien (IAM-ET)
Dr.-Ing. André Weber
Ziel des Projekts ist die Bereitstellung von harmonisierten Testprozeduren für Festkörperbatterien sowie die detaillierte elektrochemische Charakterisierung der 4 verschiedenen FestBatt-Zelltypen. Dabei stehen die Adaption und Weiterentwicklung hochauflösender Charakterisierungsverfahren sowie die Standardisierung von elektrischen Prüfprozeduren im Fokus. Die Harmonisierung der Testprozeduren sowie die Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit soll in Round-Robin Tests abgesichert werden. Für die elektrochemische Charakterisierung sollen im Bereich der Lithium Ionen Batterie etablierte Verfahren (Impedanzspektroskopie) auf die Festkörperbatterie übertragen sowie spezifische Fragestellungen untersucht werden. Hierbei liegt ein besonderer Fokus auf der Entwicklung von Testprozeduren sowie der Durchführung von Messungen zur Dendritenstabilität.
D1 - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Ulm, Institut für Technische Thermodynamik, Computergestützte Elektrochemie
Prof. A. Latz
Text folgt.
Text folgt.
Text folgt.
D4 - Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Materialien – Mikrostruktur-Modellierung und Simulation (IAM-MMS)
Dr.-Ing. M. Selzer
Das Teilvorhaben erarbeitet eine clusterübergreifende Forschungsdateninfrastruktur für Festkörperbatteriesysteme, um damit eine transparente, effiziente und nachhaltige wissensbasierte Materialentwicklung durch FestBatt zu ermöglichen. Für diese Zwecke wird die virtuelle Forschungsumgebung Kadi4Mat weiterentwickelt, die bereits im Kontext der ersten Förderphase von FestBatt enstanden ist, sowie ergänzende Werkzeuge. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung und Anwendung von datenwissenschaftlichen Methoden (Data Science) in der Batterieforschung, wie etwa statistische Datenanalysen und Machine Learning-Algorithmen. Beide Entwicklungen sollen eng miteinander verknüpft werden, um die Analyse großer und komplexer Datenmengen zu ermöglichen.
Text folgt.
K - Justus-Liebig Universität Gießen, Zentrum für Materialforschung (ZfM)
Prof. J. Janek
Dr. T. Leichtweiß
Dr. J. Sann
Durch zielgerichtete, anwendungsnahe Clusterarbeiten und -ziele, eine hochvernetzte Binnenstruktur sowie die Transdisziplinarität und Größe des Clusters ist eine leistungsfähige, begleitende Koordinations- und Unterstützungsstruktur erforderlich. Dafür koordiniert das Begleitprojekt von FestBatt die Clusterarbeiten und sorgt für eine erfolgreiche Kommunikation und Interaktion der Plattformen sowohl innerhalb des Clusters als auch im Austausch mit dem Managementkreis, der Industrie, dem BMBF, dem Projektträger, den weiteren Kompetenzclustern und der breiten Öffentlichkeit. Daher ist die Organisation clusterinterner und -externer Veranstaltungen sowie die Repräsentation relevantester Clusterergebnisse auf Fachtagungen und öffentlichen Veranstaltungen im Aufgabenbereich dieses Projektes. Außerdem werden dem beratend tätigen Managementkreis, dem BMBF und dem Projektträger alle Informationen aus dem Cluster und über den internationalen Stand der Entwicklungen von Festkörperbatterietechnik kommuniziert. So soll eine ganzheitliche Evaluierung des Fortschritts des Clusters und der Projekte ermöglicht werden. Zusätzlich wird in enger Zusammenarbeit mit allen Plattformen die Entwicklung einer projektbezogenen Datenbank im Repositorium Kadi4Mat begleitet und die Qualität der Daten kontrolliert. Es wird zudem eine clusterübergreifende Bewertung der Entwicklungen im Bereich der Festelektrolyte und Festkörperbatterien sichergestellt, sodass der aktuelle nationale und internationale Stand der Wissenschaft und Technik in die Forschungsarbeiten des Clusters integriert wird.