Highlights aus der Wissenschaft & Forschung zu Lithium-Ionen-Batterien (Q3/2023)

Briefing des TraWeBa-Projekts

Die Forschungslandschaft zum Thema Lithium-Ionen-Batterien ist im ständigen Wandel und entwickelt sich stetig weiter. Im folgenden Quartalsbericht wird ein Einblick in aktuelle Forschungsthemen, neue Materialentwicklungen und alternative Zellkonzepte für die Technologieschwerpunkte Batteriechemie, Batterieproduktion & Digitalisierung und Batterierecycling gegeben.

In diesem Briefing haben wir an die 30 Studien und Vorträge einer Analyse bezüglich ihrer  Herausforderungen und der Potentiale für Unternehmen unterzogen.

Ansprechpartner TraWeBa Summary Briefing

Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI

Breslauer Str. 48 | 76139 Karlsruhe
Ansprechpartner: Maximilian Stephan
Tel.: +49 (0) 721 6809-304
E-Mail: maximilian.stephan@isi.fraunhofer.de

Batteriechemie und -materialien

Postlithium-Batterien, ohne kritische Elemente wie Li, Co und Ni, können z.B. auf Natrium-Ion (Natrium-Ionen-Batterien; engl. Sodium-ion batteries – SIB) basieren. Die Elektrodenfertigung der SIB ist im Prinzip mit der von LIB vergleichbar. Dennoch ist v.a. die Verarbeitung geeigneter Elektrodenmaterialien, die eine vergleichbare Performance wie LIB-Aktivmaterialien aufweisen, herausfordernd und Gegenstand der aktuellen Forschung. Zur Herstellung der Elektroden im industriellen Maßstab ist ein tiefes Verständnis zur Wechselwirkung zwischen den Prozessbedingungen und den Elektrodeneigenschaften mit verschiedenen Partikelmorphologien essenziell.

Ein vielversprechendes Anodenmaterial für SIB ist „Hard Carbon“ (nicht graphitierte Hartkohlenstoffe; HC). Bei der wasserbasierten Verarbeitung von Hard Carbon wurde das Trocknungsverhalten verschiedener HC-Proben untersucht. Es konnte eine starke Abhängigkeit des Trocknungsverhaltens von der Partikelgröße und den Partikelwechselwirkungen ermittelt werden. Alle untersuchten HC-Proben wiesen bei moderaten Trocknungsraten keine Bindermigration auf. Bei sehr hohen Trocknungsraten (9 g m-2 s-1, 12 s Trocknungszeit) wurde bei kleinen Partikeln eine Steigerung der Adhäsionskraft um bis zu 39% im Vergleich bei niedriger Trocknungsraten beobachtet. Es wurde gezeigt, dass bei HC-Anoden für SIB analoge Effekte auftreten wie bei der Verarbeitung von Graphitanoden für LIB. Allerdings verändert die Wechselwirkung der Partikel mit dem wässrigen Bindemittelsystem CMC/SBR (Carboxymethylcellulose und Styrol-Butadien-Kautschuk) die Eigenschaften der Slurry und insbesondere das Verhalten bei der Trocknung und Mikrostrukturbildung. [1]

POTENTIALE:

Verbesserter, schnellerer Trocknungsprozess für Hard Carbon-Elektroden für SIB

HERAUSFORDERUNGEN:

Weitere Parameter wie die Slurry-Viskosität und die Art der Trocknung müssen noch untersucht werden; Einfluss neue SIB-Materialien (kathodenseitig) noch unzureichend untersucht; Schaffen eines tiefen Verständnisses zwischen Prozessparameter und der resultierenden Elektroden-Performance

Ungiftiges, umweltfreundliches und schwefelhaltiges Polypropylen (S/PP-Rezyklat) wurde in einem einstufigen Vulkanisationsprozess (PP + S bei 500 °C, N2) aus Polypropylen-Abfall hergestellt. Hierbei wurde eine Schwefelbeladung von bis zu 50,4 Gew.-% erreicht. Das Material wurde sowohl als Kathodenmaterial in Li-S-Vollzellen (mit Lithium-Titanium-Oxid, LTO, als Anode) als auch als Anodenmaterial in Li-Ionen-Vollzellen (Lithium-Mangandioxid (LMO) als Kathodenmaterial) untersucht. In dem S/PP-Aktivmaterial ist der Schwefel kovalent an die Polymermatrix gebunden, was beim Laden und Entladen zu einem selektiven Festphasenübergang führt. Da somit die Bildung von Polysulfid-Shuttle (entstehen gewöhnlich als Zwischenprodukte, die sich im organischen Elektrolyten lösen und zu der Verschlechterung der elektrochemischen Leistung führt) vermieden wird, wird eine zufriedenstellende elektrochemische Leistung mit ultralanger Zykluslebensdauer erzielt. 

In Li/S-Halbzellen wurde mit dem S/PP-Rezyklat einen Entladekapazität von bis zu 750 mAh gSchwefel-1 bei 0,1 C oder 500 mAh gSchwefel-1 bei 0,5 C erreicht (Kapazitätsabfall pro Zyklus von ∼0,018% bei 0,5 C). Der Coulomb-Wirkungsgrad liegt nach den ersten 20 Zyklen bei nahe 100%.

Der Shuttle-freie Charakter des S/PP-Materials erleichtert das Design von Vollzellen sowohl in Li-Schwefel als auch in Li-Ion-Vollzellen, da keine speziellen Additive erforderlich sind und eine breite Palette von Elektrolyten verwendet werden kann. Als Anode in Li-Ionen-Batterien besitzt das PP/S-Material eine höhere theoretische Kapazität von 1672 mAh gSchwefel-1, die deutlich höher ist als die von LTO (175 mAh g-1) und Graphit (372 mAh g-1). Im Vergleich zu Graphit ist es aufgrund eines recht hohen Lithiumpotentials sicherer, allerdings auf Kosten einer niedrigeren Gesamtzellspannung. Trotz der theoretisch höheren Energiedichte der Anode aus S/PP-Material im Vergleich zu LTO konnte bei praktischen Untersuchungen dies nicht bestätigt werden. [2]

POTENTIALE: 

Da das Material umweltfreundlich und ungiftig ist sowie in verschiedenen Energiespeichersystemen eingesetzt werden kann, hat S/PP-Rezyklat ein großes Potential als zukünftiges, grünes Energiespeichermaterial.

HERAUSFORDERUNGEN:

Untersuchungen zur Langzeitstabilität stehen aus (> 20 Zyklen); Skalierung und Optimierung der Elektrodenherstellung mit dem neuen Material notwendig, um die theoretische Energiedichte zu erreichen.

Silizium (Si) ist ein vielversprechendes Anodenmaterial, das im Sinne der Nachhaltigkeit in großem Maße verfügbar, relativ günstig und nicht toxisch bzw. umweltgefährdend ist. In dieser Studie wurden die Auswirkungen des Si-Gehalts (5, 10, 15 Gew.-%) und der Partikelgröße (120, 160, 250 nm) von Si@Gr-Kompositen mit Kern-Schale-Struktur auf die Partikel- und Elektrodeneigenschaften untersucht. Es zeigte sich, dass beide Parameter einen signifikanten Einfluss auf die spezifische Oberfläche (SSA) der Partikel hatten, die später mit den Anfangskapazitäten und coulombischen Effizienzen (ICEs) korreliert wurde. Es wurde beobachtet, dass die Erhöhung des Si-Gehalts zu einem linearen Anstieg und eine Verringerung der Si-Partikelgröße zu einem exponentiellen Anstieg der spezifischen Oberfläche führt. Außerdem wurden Veränderungen in der Porengrößenverteilung und der elektrischen Leitfähigkeit festgestellt.

Die gebauten Vollzellen zeigten hohe Anfangskapazitäten (>150 mAh g-1), eine gute Ratenfähigkeit (75% bei 1 C, 50% bei 2 C) und ICEs (>80%). Es wurde festgestellt, dass die Energiedichte bei 15 Gew.-% Si im Vergleich zu Graphit (Gr) um 32 % steigt, was auf das zukünftige Potential von Si hinweist. Bei der Untersuchung von unbeschichtetem, siliziumhaltigem Graphit (Si@Gr) und mit Kohlenstoff beschichtetem Material (Si@Gr/C) wurde gezeigt, dass Si@Gr ohne Beschichtung instabil ist und zur Ablösung von Si-Nanopartikels von der Oberfläche und zum Verstopfen von Poren innerhalb der Anode führt. Eine Kohlenstoffbeschichtung kann die Komposit-Partikel stabilisieren und Verstopfung der Poren verhindern. Die Kohlenstoff-Beschichtung ermöglichte eine noch bessere Leistung, allerdings war diese bei Halbzellen stärker ausgeprägt als bei Vollzellen. [3]

POTENTIALE:

Untersuchungen zeigen die Vorteile einer Beschichtung von Si-haltigem Anodenmaterial zur Erhöhung der Energiedichte und Langzeitstabilität von LIB.

HERAUSFORDERUNGEN:

Ein erhöhter Si-Gehalt führt zu einer starken Volumenzu- bzw. -abnahme bei der LIB-Zelle während des Lade-/Entladevorgangs; Zell- und Modulkonstruktion muss für eine Kommerzialisierung angepasst werden

Eine höhere Energiedichte und eine verbesserte Langzeitstabilität sind das Ziel der aktuellen Zellentwicklung. Durch den Einsatz von neuartigen Kathodenmaterialien, wie NCM83 (LiNi0,83Co0,1Mn 0,05B0,01O2) mit Lithium-Metall können spezifische Energien durch eine hohe Spannungslage und eine große spezifische Entladekapazität erzielt werden. Allerdings leiden nickelreiche Schichtkathoden unter struktureller Instabilität und Grenzflächeninstabilität bei hohen Spannungen (>4,3 V). Um die Stabilität dieser Kathodenmaterialien bei hohen Spannungen zu verbessern, werden Lithiumboratsalze als Elektrolytzusätze untersucht, die eine bessere Kathoden-Elektrolyt-Interphase versprechen. Vor allem der Einsatz von Lithiumbis(oxalato)borat (LIBOB) führt zu einer verbesserten Zyklenstabilität mit einer Kapazitätserhaltung von 81,7%.

Nach 200 Zyklen bei 1 C wird nahezu keine Spannungshysterese festgestellt. Diese herausragende elektrochemische Performance ist auf eine verbesserte strukturelle Grenzflächenstabilität zurückzuführen, die durch die Unterdrückung der Mikrorissbildung und der oberflächlichen strukturellen Degradation beim Zyklus erreicht wird. Die verbesserte Stabilität resultiert aus der Bildung einer angereicherten borathaltigen Zwischenphase, die die hochreaktive Kathode vor parasitären Reaktionen mit dem Elektrolyten schützt. [4]

POTENTIALE:

LiBOB führt zu einer verbesserten Zyklenstabilität bei nickelreichem Kathodenaktivmaterial in Lithium-Metall-Batterien mit hoher Energiedichte

HERAUSFORDERUNGEN:

Langzeit-Stabilitätsuntersuchungen stehen noch aus (>2000 Zyklen); Auswirkung von LiBOB auf den Elektroden-Herstellungsprozess noch zu untersuchen (eventuell Anpassungen nötig)

Halogenidperowskit (CsSn0,9In0,067Cl3; CSIC) ist ein strukturell flexibler, chloridionenleitender Halogenid-Festelektrolyte (SE) mit hoher Ionenleitfähigkeit (3,45 × 10-4 S cm-1 @ 25 °C). Die Impedanzspektroskopie, Dichtefunktionaltheorie und paramagnetische Elektronenresonanzstudien zeigen, dass die hohe Cl–Ionenmobilität des SE auf eine hohe dynamische Flexibilität der Strukturbausteine, Sn/InCl6-Oktaeder, zurückzuführen ist. CSIC können als Festelektrolyte (SEs) in ASSBs mit verschiedener Kathoden- und Anodenaktivmaterialien eingesetzt werden. Das stabilisierte CSIC zeigte eine ausgezeichnete Feuchtigkeitstoleranz (bis zu 50% relative Luftfeuchtigkeit) in der Umgebungsluft und Strukturerneuerungsfähigkeiten ohne seine Ionenleitfähigkeit zu beeinträchtigen. Die strukturellen Regenerationseigenschaften dieses Materials könnte zukünftig zur Entwicklung luftverarbeitbarer SEs führen, was für die kommerzielle Batteriezellproduktion von großer Bedeutung ist. Die vergleichende Untersuchung der Ladungsübertragungsfähigkeit des Elektrolyten mit Li, Li-In, Mg and Ca-Anode ergibt chloridreiche, anodische Zwischenphasen, während selbst bei hartmetallischen Anoden wie Mg und Ca ein quasi reversibler Ladungstransfer erkennbar war. [5]

POTENTIALE:

Grundlage für die Entdeckung/ Entwicklung weiterer Metallchlorid-Materialien für die Anwendung in ASSB und die Entwicklung von Festelektrolyten, die an der Luft verarbeitbar sind

HERAUSFORDERUNGEN:

Erst im Labormaßstab; Skalierbarkeit der Herstellungsmethoden nicht betrachtet/ausstehend

Ni-reiche Oxide sind attraktive Kathoden-materialien für Sekundärbatterie-anwendungen. Durch die Kombination mit anorganischen superionischen Leitern und Anoden mit hoher Kapazität kann die Energiedichte erheblich erhöht werden. In der Studie wurden sphärische Sekundärpartikel eines geschichteten, Co-freien, Ni-reichen Kathodenaktivmaterials (CAM), Li0.95Mn0.05O2), durch Festkörpersynthese (Kalzinierung von einer Mischung aus Ni(OH)2, Mn2O3 und LiOH*H2O) hergestellt und eine schützende LiNbO3-Nanobeschichtung auf Oberfläche der Sekundärteilchen durch Sol-Gel-Chemie aufgebracht. Amorphes LiNbO3, ein weit verarbeitetes Beschichtungsmaterial für CAM, kann unerwünschte Nebenreaktionen abschwächen und die Zyklenstabilität verbessern. Das resultierte Material wurde elektrochemisch in ASSB-Zellen getestet, indem NMX9505-Kathoden, Argyrodit (Li6PS5Cl; LPSCl) und LTO-Anoden gestapelt wurden. Das beschichte NMX9505 liefert hohe spezifische Kapazitäten 164 mAh g-1 bei 0,2 C (137 mAh g1 für unbeschichtete CAM) und behielt 77% der ursprünglichen Kapazität (190 mAh g‑1 bei 0,1 C) nach 81 Zyklen, im Vergleich zu 68% bei unbeschichtetem Material. Beschichtete NMX-Materialien sind daher vielversprechenden Kandidaten für den Einsatz in LIB mit flüssigen als auch festen Elektrolyten. [6]

POTENTIALE:

Beschichtete NMX-Materialien sind geeignet für flüssige und feste Elektrolyten

HERAUSFORDERUNGEN:

Langzeitstabilität noch nicht untersucht; Skalierung der Herstellungsmetode für beschichtete NMX-Materialien in den industriellen Maßstab; Einsatz von LiNbO3 erschwert Recycling (zusätzliche Rückgewinnung von Nb) und erhöht Herstellungskosten für die Zellen

Hybridkathoden kombinieren die spezifischen Vorteile von LIB und Dual-Ion-Batterien (DIBs). DIBs sind eine neuartige Batterietechnologie, deren Zellchemie und deren Lade/Entlade-Speichermechanismus sich von herkömmlichen LIBs grundlegend unterscheidet. Bei DIBs wird die Li+-Kationen liefernde Kathode durch ein Anionen-Speichermaterial ersetzt, während das Salz im Elektrolyten als aktives Material betrachtet werden kann und sowohl die Kationen als auch die Anionen liefert, die gleichzeitig in beiden Elektroden gespeichert werden (Kathode: Graphit; Anode: Graphit oder Li/K Metall). Batteriezellen mit LNMO/Gr-Hybridkathoden mit hoher Flächenkapazität wurden hergestellt. Diese weisen eine geringere Ratenfähigkeit auf als vergleichbare LIBs und DIBs. Die Anionen-interkalierenden Materialien müssen bestimmte Eigenschaften aufweisen, um synergistische Effekte in Hybridkathoden zu erzielen. So konnte gezeigt werden, dass das Anionen-einlagernde Material eine spezifische Volumenkapazität von >260 mAh cm-3 aufweisen muss, um Synergieeffekte mit LNMO als Li-Ionen-speicherndem Material zu ermöglichen. Auch wenn diese Anforderung in den durchgeführten Untersuchungen nicht erfüllt wurde, stellen die Ergebnisse eine Grundlage für die Entwicklung neuartiger Hybridkonzepte dar. Der Hybridansatz auf Li-Basis könnte auf Zellen mit metallischen Anoden, mit noch deutlich höheren Volumen- und Energiedichten als Li, Na und K wie z.B. Al, Mg, ausgeweitet werden. [7]

POTENTIALE:

Hybridkathoden als eine neue Generation von Batterien mit höherer Volumen- und Energiedichte

HERAUSFORDERUNGEN:

Grundlagenforschung: Die Umsetzung von Hybridkathoden in den industriellen Maßstab ist kurz-/mittelfristig nicht zu erwarten. Weiterer Forschungsbedarf besteht bei der Optimierung des Elektrolyten und der Entwicklung von Speichermaterialien/ Wirtstrukturen mit Hochspannungsstabilität und hoher Anionenspeicherkapazität.

Batterieproduktion & Digitalisierung

Fokusthema der trockenen Elektrodenbeschichtung

Der hohe Energieverbrauch des Trocknungsprozesses in der Elektrodenfertigung stellt ein wichtiges durch technologische Innovationen zu adressierendes Aktivitätsfeld dar, auch rückblickend auf die im letzten Summary Briefing hervorgehobenen zentralen Problemfelder der Prozessroute konventioneller Lithium-Ionen Batteriezellen. Neben dem Einsatz energieoptimierter Trocknungssysteme besteht ein weiterer Lösungsansatz in der Veränderung der zu verarbeitenden Pastencharakteristika hin zu deutlich erhöhten Feststoffgehalten oder gänzlich trockenen Pulvermischungen. Durch das Auslassen oder drastische Reduzieren von flüssigem Lösungsmittel im Mischprozess muss dieses nach dem Aufbringen auf die Metallfolien nicht mehr verdampft werden. Jedoch ergeben sich neue technische Herausforderungen durch die Verarbeitung trockener Pulvermischungen, wie die Kompatibilität von Bindemitteln (diese werden genutzt, um die trockenen Pulvermischungen auf den Elektrodenfolien „zusammen zu halten“) zur restlichen Pulvermischung, die umfassende Kontrolle über die Vorprozessierung (Einstellung der passenden Beschaffenheit des Binders) sowie der homogene, schnelle und stabile Pulverauftrag auf die metallische Stromableiterfolien. Erste Hochrechnungen aus der Industrie geben, unter Voraussetzung der Überwindung entsprechender technischer Herausforderungen, eine positive Einschätzung der Auswirkungen von Trockenbeschichtung auf Prozess- und Produktperformance ab (Footprint -57%, CAPEX -27%, OPEX -25%, Energiedichte +5-8%, Lebensdauer +25%). [8] Sowohl industrielle als auch öffentliche Forschung hat in der jüngsten Vergangenheit intensive Arbeiten auf dem Gebiet bekannt gegeben – nicht zuletzt auch wegen seiner hohen Relevanz auch als Enabler-Technologie für die Verarbeitung von Elektrodenmaterialien für künftige Festkörperzellen.

F&E-Arbeiten zu Materialien für die Trockenbeschichtung

Die offensichtlichen Materialinnovationen betreffen alternative Anodenbinder, die sich durch eine erhöhte elektrochemische Stabilität bei niedrigen Potentialen auszeichnen. Einerseits ist von der Entwicklung modifizierter PTFE-Varianten auszugehen. Andererseits sind Ansätze auf Basis von PVDF oder sogar fluorfreien Polymeren zu erwarten. [9] Bei der Auswahl des zu nutzenden Bindemittels ist zudem auf dessen Klimabilanz bzgl. Lebenszyklus zu achten. Studien unterstreichen die Kritikalität im Herstellungsverfahren fluorhaltiger Derivate auch in der weiteren Zellintegration. [10] Mit Blick auf die Ankündigung einer scharfen Regulierung bis hin zum Verbot von PFAS [11] ist es ratsam bereits frühzeitig die Verarbeitbarkeit funktionsfähiger, fluorfreier Alternativen zu eruieren. Darüber hinaus müssen auch leitfähige Additive optimiert bzw. ausgelegt werden, um den Anforderungen einer Trockenbeschichtung gerecht zu werden. Dabei liegt der Fokus auf einer effizienten und homogenen Dispergierbarkeit bei gleichzeitig hoher Perkolation in der Trockenmischung. [12] Nicht zuletzt sind Weiterentwicklungen der Aktivmaterialien zu erwarten. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Optimierung der rheologischen Eigenschaften des Pulvers, um einen schonenden und gleichmäßigen Transport des Materials in und durch den Kalanderspalt zu gewährleisten. Um eine gute Haftung zwischen Substrat und aktiver Schicht zu gewährleisten, ist auch eine Weiterentwicklung des Stromkollektors erforderlich. Die Untergründe sind mit klebenden und elektrisch leitfähigen Grundierungsschichten [13] oder alternativ mit rauer Oberflächenstrukturierung [14] zur stärkeren mechanischen Verankerung auszuführen. Beide Ansätze müssen kosten- und ressourceneffizient umgesetzt werden.

POTENTIALE:

Die Weiterentwicklung von Bindersystemen kann zu einer langfristig höheren Zellperformance beitragen und auch für die Anodenprozessierung eine trockene Prozessroute ermöglichen. Auch sind Materialeigenschaften für die nachfolgende Trockenvormischung (Pulverkonditionierung) sowie die Dosierung in Beschichtungsmaschinen primär bestimmend. Maßgeschneiderte Materialsysteme können zu besserer Kontrolle in der Prozessführung beitragen und diese schneller, effizienter und preisgünstiger machen.

HERAUSFORDERUNGEN:

Es sind generell Cross-Kompatibilitäten der Materialkomponenten untereinander sowie Lösungen für ihre Prozessierfähigkeit zu erarbeiten. Auch müssen entweder der Einsatz von emissionsneutralen Eingangssubstanzen gewährleistet oder Alternativmaterialien entwickelt werden, damit ein ökologisch und ökonomisch nachhaltiges Prozessieren von trockenbeschichteten Elektroden möglich ist.

F&E-Arbeiten zu Trockenvormischungen / Pulverkonditionierung für die Trockenbeschichtung

Im Hinblick auf Prozessverbesserungen sind eine weitere Optimierung und effiziente Verknüpfung der einzelnen Prozessschritte entscheidend für die Erhöhung des TRL (Technologie-Reifegrad). Weitere Prozessforschung ist vor allem in den Bereichen Trockenmasseherstellung und Beschichtung zu erwarten. Entsprechend den gewünschten Produkteigenschaften hinsichtlich Zusammensetzung, Beladung, Porosität, Abmessung usw. sind umfangreiche Parameterstudien zur Bewertung der Prozessstruktur-Eigenschaftsbeziehungen durchzuführen. Als Fertigungsvariationen werden in Industrie und Forschung bislang einerseits Batch-Prozessbasierte (z.B. im Projekt ProLiT) [1] und andererseits extrusionsbasierte Methoden (z.B. Fraunhofer IKTS [15], Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung [16]) genutzt. Da neben der Zusammensetzung auch die homogene Verteilung aller Komponenten in der Trockenmischung entscheidend für die Verarbeitbarkeit im Prozess und die Leistungsfähigkeit der Elektrode ist, sind zahlreiche Forschungsaktivitäten in diesem Bereich zu erwarten. Dazu gehören die Auswahl und Gestaltung von Mischwerkzeugen sowie Prozessparameterstudien mit Fokus auf skalierbare und kontinuierliche Methoden. Erhöhte Aufmerksamkeit wird Charakterisierungstechniken für Trockenmischungen gewidmet, wie z. B. In-situ-Partikelgrößenverteilung, Kompressibilität, Fließfähigkeit usw.

POTENTIALE: 

Eine optimierte Prozesskontrolle im Trockenvormischprozess (durch (Vor-) Prozessierung, Bindermodifikation, etc.) beeinflusst signifikant die Gesamtprozessdauer sowie die Qualität der gefertigten Elektroden. Ankündigungen von Industrieakteuren sehen bereits ab 2024 eine Bedienbarkeit von Anlagentechnik für Trockenvormischprozesse im Gigafactory-Maßstab. [17]

HERAUSFORDERUNGEN:

Feine und gleichmäßige Verteilung von PTFE-Fasern, gute Verteilung der leitfähigen Additive, gute Desagglomeration des aktiven Materials [18], Wärmeeintrag als großes Hemmnis zur weiteren Skalierfähigkeit, Abrasion und Verunreinigung durch metallische Partikel müssen kontrolliert werden, Standardisierung des Fibrillierungsprozesses und dessen Parameter erforderlich. [19]

[1] siehe dazu: https://www.tu-braunschweig.de/ipat/forschung/batterieverfahrenstechnik/aktuelle-forschungsprojekte/prolit (letzter Zugriff: 29.09.2023)

Beschichtung (Dosierung insbesondere schwierig; unterschiedliche Prozessrouten)

Studien aus der Forschungslandschafft attestieren den nach der Trocken-Vorprozessierung gelegten Beschichtungsverfahren bereits einen guten und vielversprechenden Status für die Elektrodenherstellung. [9] Durch die weitere Skalierung der Technologie und die Voranbringung des Entwicklungsstandes von heutigen Prototypen hin zum Einsatz in den geplanten Pilotanlagen innerhalb der nächsten 2-5 Jahre ist ein direkter Vergleich der Trockenbeschichtung mit klassischen Slurry-Verfahren möglich.

Mit Blick auf die Verarbeitung der trockenvorprozessierten Pulvermischung bis hin zur Erstellung einer funktionsfähigen Elektrode, existieren unterschiedliche Prozessrouten:

Die aus den Arbeiten vom Fraunhofer IWS hervorgegangene Technologie unter dem Markennamen „DryTraec“ verspricht nach heutigem Erkenntnisstand eine Reduktion des Anlagen-Footprints auf ca. 15-30% im Vergleich zu gegenüber Slurry-Anlagen mit identischem Durchsatz. Der Energieverbrauch solcher Anlagen wird voraussichtlich um etwa 75-85% reduziert. Dies ermöglicht den Einsatz effizienterer und nachhaltigerer Beschichtungstechnologien und gleichzeitig eine erhebliche Senkung der Gesamtkosten für die Anlagentechnik. [9]

Ein alternativer Rolle-zu-Rolle fähiger Prozess aus der Forschungslandschaft wird am ZSW im Technikumsmaßstab entwickelt und umfasst ein Trockenextrusionsverfahren in Verbindung mit einer Breitschlitzdüsenbeschichtung zur Herstellung von Hochenergiekathoden. Die prozessierte Rezeptur für die Trockenverarbeitung, besteht aus NCM622 (90% Feststoffgehalt), PVDF, Ruß und einem Fließmittel. [16] Mit dem Verfahren konnten Kathoden realisiert werden, die eine Massenbeladung von 55 mg cm² bei 180 µm Schichtdicke bzw. nach einer Versuchsreihe mit NMC811 eine Flächenkapazität von 4,5 mAh cm² bei 80 µm Schichtdicke aufweisen [20].

Weitere Studien fokussieren im Rahmen von Laboraktivitäten eher auf die Behebung von Problemstellungen auf konkreter Parameterebene, wie bspw. dem Adhäsionsverhalten von Elektrodenfolien, oder zielen auf die Demonstration sehr hoher Flächenbeladungen ab. So wurde ein Trockenpressbeschichtungsverfahren genutzt, um ein MWNT-PVDF-Komposit als Aktivmaterial und eine geätzte Al-Folie als Stromkollektor zu verwenden [14]. Die mit diesem Verfahren hergestellten Folienverbünde wiesen sowohl starke Adhäsions- als auch Kohäsionseigenschaften auf. Ihre bikontinuierliche, verflochtene Struktur ist in der Lage, sich in den Submikronporen der geätzten Al-Folie zu verankern und eine nahtlose Verdichtung der Aktivmaterialien in ihrem netzartigen Netzwerk zu ermöglichen. Es zeigte sich ferner, dass diese einzigartigen Eigenschaften von DPCE die Herstellung von Elektroden mit hoher Beladung ermöglichten (flächenbezogenen Massebelastung von 100 mg cm-2 entsprechend einer Kapazität von 17,6 mAh cm-2). Eine weitere Studie konnte mithilfe ihrer trockenen Elektrodenherstellungsmethode auf PTFE-Basis Elektroden mit hohen Beladungen (ca. 68 mg cm2 bei ca. 240 µm) und einer ausgezeichnete Zyklenstabilität (1000 Zyklen) demonstrieren, sowohl mit der Basislinie als auch mit einem fluorierten Hochleistungselektrolyten (68% Kapazitätserhalt nach 1000 Zyklen für die vollständige Zelle) [21].

Eine dritte Studie berichtet von der Entwicklung einer skalierbaren Trockendruck-Fertigungstechnologie, mit der schnell ladende Elektroden hergestellt werden können (Ladekapazität 78% in weniger als 20 Minuten) [22]. Es wird für die lösungsmittelfreie Herstellungsmethode außerdem von einer Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs von rund 47% berichtet.

POTENTIALE:

Beschichtungstests auf Laborebene liefern aussichtsreiche Ergebnisse für trockenbeschichtete Elektrodenfolien hinsichtlich der Zellperformance. Beschichtungsverfahren lassen mit Blick auf ihren technologischen Entwicklungsstand auf eine zeitnahe (2-5 Jahre) Skalierbarkeit hin zur industriellen Einsetzbarkeit schließen.

HERAUSFORDERUNGEN:

Erreichung von industrierelevanten Beschichtungsgeschwindigkeiten, drastische Reduzierung von Ausschuss, präzise Dosierung von Feststoff (insb. Bindermaterial) auf die Metallfolie, homogene Schichtdickenverteilung und Elektrodenqualität

Agile Produktionslinien in der Batteriefertigung

Am wbk Institut für Produktionstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickelten Forscher einen Ansatz zur optimalen und agilen Konfiguration von Produktionslinien in der Batteriefertigung.

Die Forschenden wollen mit ihrem Konzept eines agilen Produktionssystems der steigenden Frequenz von Markt und Technologieveränderungen entgegenwirken. Sie entwickelten deshalb einen Ansatz zur Evaluierung von verschiedenen Produktionslinien und Konfigurationen in der Batteriezellproduktion mit unterschiedlichen Szenarien, um die optimalen Linien-Konfigurationen zu finden.

Es wurden unterschiedliche Anwendungsfälle definiert, welche sich insbesondere in ihrer Flexibilität unterscheiden. Somit berücksichtigen die Anwendungsfälle beispielsweise einen Technologiewechsel oder die Notwendigkeit einer erhöhten Materialflexibilität. Des Weiteren sind verschiedene Parameter festgelegt worden, die in den Produktionslinien variiert werden können. Die Forschenden entwickelten ein Simulationsmodell zur Ermittlung der optimalen Produktionslinie für den jeweiligen Anwendungsfall. Zur Vergleichbarkeit wurde der Overall Equipment Effectiveness (OEE) wurde als Bewertungsmetrik verwendet. Durch das Simulationsmodell wurde eine Produktionslinienkonfiguration identifiziert, welche für mehrere Anwendungsfälle nur eine geringe Varianz im OEE vorweist. [23]

POTENTIALE:  

Erhöhung der Produktivität der Produktionslinien. Identifikation der Produktionslinien mit dem vgl. höchsten OEE für den jeweiligen Anwendungsfall, falls dieser sich verändert. Vergleichbarkeit verschiedener Linienkonfigurationen mittels Bewertungsmetrik.

HERAUSFORDERUNGEN:

Im nächsten Schritt gilt es Strategien für einen Wechsel und den damit verbundenen Anpassungsaufwand zwischen den Produktionslinien zu identifizieren mit dem Fokus möglichst kosteneffizient Lösungen auszuarbeiten.

Potentiale Digitale Zwillinge im Benetzungsprozess nach der Elektrolytbefüllung

Forschende des Fraunhofer Instituts IPA und der Universität Stuttgart untersuchten abhebbare Potentiale durch den Einsatz von Digitalen Zwillingen zur Simulation des Benetzungsprozesses nach der Elektrolytbefüllung von Rundzellen.

Nach der Elektrodenherstellung und Zellmontage erfolgt die Zellfertigstellung. Dort wird im Befüllungsprozess der Elektrolyt in die bis dahin trockene Zelle eingefüllt. Kern der Zelle ist die sogenannte Jelly Roll, welche aus Anode, Kathode sowie Separator besteht und durch den Elektrolyten benetzt wird. Liegt keine vollständige Benetzung der Jelly Roll vor, wirkt sich dies negativ auf die Qualität der Zelle aus und ist mit Sicherheitsrisiken verbunden. Aus diesem Grund wird die Benetzungszeit mit einem Sicherheitsfaktor abgeschätzt.

Diese Benetzung und auch der anschließende Formierungsprozess der Zelle sind zeit- und damit auch kostenintensiv. Verschiedene Variablen wie Umgebungstemperatur oder Elektrolytmenge beeinflussen zudem die Zellqualität. Um diesen Prozess zu verbessern und die Transparenz zu erhöhen wurde mithilfe eines Digitalen Zwillings der Benetzungsprozess simuliert. Ziel ist es dabei die Zellqualität zu optimieren sowie die Zeit und Energieeinbringung zu reduzieren. Es wurde basierend auf der Gleichung von Washburn ein Simulationsmodell entwickelt, welches unter Angabe verschiedener Parameter die Benetzungszustände der einzelnen Komponenten der Jelly Roll beschreibt. Insbesondere durch die Simulation, welche im Digitalen Zwilling abläuft, kann die notwendige Benetzungszeit präziser vorausgesagt und Umgebungsanpassungen berücksichtigt werden. Die Forschenden testen dabei verschiedene Anwendungsfälle, um die Parameter zu optimieren. Unter den durchgeführten Bedingungen konnte im Versuch eine Zeit- und Energieersparnis von 13% erzielt werden. [24]

POTENTIALE:

Zeit- und Energieeinsparungen; Erhöhung der Prozesstransparenz; Verbesserte Zellqualität; positive Auswirkungen auf die Sicherheit der Zellproduktion.

HERAUSFORDERUNGEN: 

Für den Einsatz von Digitalen Zwillingen zur Prozesssimulation ist es wichtig akkurate Prozessbeschreibungen inklusive Charakteristika zu realisieren. Weitere Variationen der Prozesstemperaturen und weiterer Parameter während des Prozesses gilt es im nächsten Schritt näher zu untersuchen.

Batterierecycling

Nachhaltiger Batterie-Recyclingmarkt in Europa?

Eine Studie von der Unternehmensberatung Strategy& (PwC) und dem PEM der RWTH Aachen zeigt, dass die für die Zellproduktion verfügbare Menge an recyceltem Material (Li, Co, Ni) durchweg die von den EU-Vorschriften geforderte Menge übersteigen wird. Ausgehend von der Abschätzung zu erwartender Recyclingkosten und dem Wert der Rezyklate als zukünftiges Geschäftspotential wird es sich lohnen ins Batterierecycling einzusteigen.
Die Autoren der aktuellen Studie zum EU Recycling Markt schlussfolgern, dass Batterie-Recycling ein rentables und nachhaltiges Geschäft (Marktvolumen von rund 8 Mrd. € in 2035) in Europa sein wird. Dabei erwarten die Autoren, dass sich das Batterierecycling in dezentrale „Spokes“ für die Vorbehandlung und zentrale „Hubs“[1] für das metallurgische Recycling im Verhältnis 10:1 segmentiert. Diese Aufteilung hat das Potential, die Recyclingkosten weiter herabzusenken und legt in Kombination mit einer guten Verfügbarkeit von Altbatterien den Grundstein für sehr gute Marktbedingungen in Europa. Aufgrund der guten Rückgewinnungs-quote von „battery-grade“ Materialien wird das hydrometallurgische Recyclingverfahren zunehmend als Technologie bevorzugt und erweist sich als vorteilhafter gegenüber den pyrometallurgischen Verfahren. [25]

POTENTIALE: 

Eine wettbewerbsfähige Recycling-Infrastruktur und entsprechende Rezyklatmengen zu geringen Kosten können insbesondere für die Aktivmaterialien der Kathode (Li, Ni, Co) zu signifikanten Preissenkungen von 20% führen. Dies würde wiederum die Preise für Batteriespeicher und damit auch für Elektrofahrzeuge und andere batterie-elektrische Anwendungen weiter senken.

HERAUSFORDERUNGEN:

China und Südkorea erzielen im Batterierecycling bereits Wiederverwertungsquoten von über 90% der Materialien – dort ist das LIB-Recycling bereits weit verbreitet. Sofern keine genügsame Recycling-Infrastruktur in Europa zur Verfügung stehen sollte, muss auch mit dem Export von Altbatterien und damit Abflüssen an Rohstoffen und Batteriematerialien z.B. Richtung Asien gerechnet werden.

[1] siehe dazu auch https://www.isi.fraunhofer.de/de/blog/themen/batterie-update/recycling-lithium-ionen-batterien-europa-kapazitaeten-bedarf-akteure-markt-analyse.html (letzter Zugriff: 29.09.2023)

Aktuelle Publikationen adressieren mit ihrer Arbeit effiziente Prozesse sowohl für vorgelagerte Aktivitäten, wie die Pack-Demontage, als auch das pyrometallurgische Recycling für unterschiedliche Batteriezellen. Effiziente Prozesse sind entscheidend zur Reduzierung von Recyclingkosten und einer nachhaltigen Wertschöpfung im Sinne der Kreislaufwirtschaft, insbesondere auch in Unternehmen. Zur Verbesserung und Etablierung von Materialkreisläufen in Unternehmen wurde anhand einer Fallstudie untersucht, wie Unternehmen selbst und durch ihre Geschäftsprozesse die Kreislauffähigkeit verbessern können. Im Ergebnis bestätigen die Autoren mit Ihrer Arbeit, dass u.a. effiziente Recyclingprozesse zur Schließung von Kreisläufen, die Wiederverwendung und Nachnutzung von Batterien (EoL Strategien) und der Fokus auf Geschäftsprozesse in der Produktion die Kreislauffähigkeit und -führung von Materialien erhöhen können. Eine Kombination an Stellhebeln kann die Kreislauffähigkeit von kritischen Batteriematerialien von aktuell 5% auf 23% im Jahr 2030 steigern und adressiert insbesondere Circular Economy Bemühungen auf individueller Unternehmensebene im Automotive Sektor, z.B. indem EoL-Batteriestoffströme als Ressource für die Reduzierung von Primärmaterialbedarfe etabliert werden. [26]

POTENTIALE: 

Es werden Geschäftsprozesse in Unternehmen dargestellt, die maßgeblich dazu beitragen können, Materialkreisläufe (in einem Unternehmen) zu etablieren. Insgesamt können so Abhängigkeiten aus Primärmaterialbedarfe gesenkt werden sowie die Themen Circular Economy und Nachhaltigkeit in Unternehmen vorangetrieben werden.

HERAUSFORDERUNGEN:

Die Autoren sprechen insbesondere die Kreislaufführung auf Unternehmensebene an und diskutieren diese anhand einer Fallstudie. Da bei Unternehmen sich Strategien, Zielsetzungen und Vorgehensweisen differenzieren, sollten Unternehmen ihre eigenen Prozesse dahingehend untersuchen und ggfs. zielgerichtet optimieren.

Die Autoren der Battery LabFactory Braunschweig und der TU Braunschweig fassen in einem Review zur Batterie-Demontage zusammen, dass eine automatisierte Demontage (siehe dazu auch Summary Briefing Q2) die Effizienz und damit Kostenreduktion des vorgelagerten Recycling-Prozesses erheblich verbessern kann. Aufgrund der Vielfalt an LIB-Zellformaten, die in das Recycling kommen, erweist sich insbesondere auch die teilautomatisierte Demontage in einer Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) als gute Option. Das Zerlegen, Trennen und Sortieren der verschiedenen Batteriekomponenten, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, ermöglicht insgesamt ein effizienteres und rentableres Recycling. [27]

POTENTIALE

Die Demontage als ein Aspekt der Vorbehandlung ist ein entscheidender Prozess, um eine hohe Materialtrennungsrate zu erreichen und einen hohen Reinheitsgrad des recycelten aktiven Materials zu gewährleisten. Darüber hinaus kann eine automatisierte Demontage die Produktivität erheblich steigern und Kosten senken.

HERAUSFORDERUNGEN:

Forschungsarbeiten zur Machbarkeit und Potential von automatisierten Demontageverfahren auf Zellebene werden dringend empfohlen, insbesondere da aus dem Review ersichtlich wird, dass bislang der Hauptfokus einer automatisierten Demontage vor allem auf Pack- und Modulebene liegt. Die größte Herausforderung für die Demontage selbst ist und bleibt die enorme Vielfalt an unterschiedlichen LIB-Typen und Zellformate.

Die Autoren der RWTH Aachen analysieren das pyrometallurgische Recyclingverfahren für unterschiedliche LIB-Typen. Zwischen verschiedenen LIB-Zellchemien bestehen erhebliche Unterschiede in Bezug auf die Rentabilität des pyrometallurgischen Recyclings, und hängt maßgeblich vom Kobalt- und Nickelgehalt der Zellchemien ab. Auch hier wird die Automatisierung von Prozessen als ein positiver Stellhebel identifiziert. Des Weiteren sollte bereits vor der pyrometallurgischen Schmelze das Lithium der Zellen zurückgewonnen werden, da es sonst in der Schlacke verloren geht. [28]

POTENTIALE

Zukünftige Skaleneffekte im pyrometallurgischen Batterierecycling lassen erwarten, dass auch Zellchemien mit aktuell weniger wertvollen Materialien rentabel zu recyceln sind.

Da auch aus den ersten zu erwartenden EoL-Batterien der Anteil, insbesondere von Kobalt in der Zellchemie (NMC333), hoch sein wird, kann das pyrometallurgische Verfahren für den Hochlauf des Batterierecyclings wirtschaftlich attraktiv sein.

HERAUSFORDERUNGEN:

Herausfordernd für das pyrometallurgische Recycling ist die Zunahme an LFP-Kathoden in Anwendungen und damit eine (aktuell berechnete) geringere ökonomische Ausbringung. Die Studienautoren erwähnen auch explizit, dass CO2-Emissionen als Kostenfaktor nicht berücksichtigt wurden.

Eine Verwertung der Produktionsabfälle aus der sich hochskalierenden Batterie-zellfertigung ist von zentraler Bedeutung, um Umweltauswirkungen der Batteriezellfertigung zu verringern und Batterien insgesamt nachhaltiger zu produzieren.

Eine Studie des Fraunhofer IST zusammen mit der TU Braunschweig hat sich dazu das direkte Recycling für eine sofortige Wiederverwendung der Beschichtungsmaterialien für neue Elektroden aus Produktionsabfällen betrachtet. Ein in das Fabriksystem integriertes direktes Recycling (mechanisches Verfahren) wird eine nachhaltigere und auch kreislauforientierte Produktion von Batteriezellen ermöglichen. Dabei wird die fehlerhafte Kathode bzw. Anode zerkleinert und das Material von der Elektrode abgeschieden, wobei die abgetrennte Schwarzmasse in die Elektrodenproduktion zurückgeführt werden kann. Das direkte Recycling hat im Vergleich einen stärker positiven Effekt auf die Umweltauswirkungen in der Zellproduktion als ein indirektes Recyclingverfahren für Produktionsabfälle. [29]

POTENTIALE:

Die direkte Überführung von Produktionsausschuss in ein Recycling vor Ort reduziert den ökologischen Fußabdruck der Batteriezellfertigung. Eine erreichte höhere Verwertung der Primärrohstoffe insbesondere im Hinblick auf steigende Ausschussmengen durch den Industriehochlauf verdeutlichen den Bedarf nach Verwertungswegen wie z.B. durch das noch relativ junge direkte Recycling von Elektrodenmaterialien an der Produktionslinie.

HERAUSFORDERUNGEN:

Kostenaufwände wurden in der Studie nicht näher berücksichtigt. Beim direkten Recycling handelt es sich außerdem noch um ein recht junges Recyclingverfahren, das am Beginn der industriellen Nutzung steht.

Second-Life Batteriespeicher adressieren gängiger Weise die Nachnutzung (Reuse, Repurpose) einer Batterie nach der ersten Nutzungsphase (z.B. in Elektrofahrzeugen), etwa als stationärer Stromspeicher. Aus der verlängerten Nutzungsdauer der Batterie ergeben sich Vorteile, z.B. in der Ressourcennutzung und eine geringere Umweltauswirkung im kompletten Batterie-Lebenszyklus. Forscher des PEM der RWTH Aachen haben insgesamt 23 Herausforderungen in ihrem Review identifiziert, die sich für Second-Life-Batteriesysteme ergeben. Insbesondere rechtliche Barrieren (Versicherung, Haftung bei EoL, Datensicherheit) und die Rentabilität des Speichers werden als entscheidendes Markthemmnis genannt. Letzteres ergibt sich insbesondere aus der Geeignetheit der Batterie für eine Zweitnutzung (Bewertung nach der ersten Nutzungsphase), variierende Kosten für die Systemintegration (z.B. für die Netzintegration) und der Wettbewerbsfähigkeit gegenüber neuen Batterien aufgrund deren erwarteter Performance-Verbesserung bei gleichzeitiger Kostensenkung. [30]

POTENTIALE

Schon heute gibt es von Unternehmen (z.B. Audi oder JT Energy) [1] praktische Erfahrung zur Weiternutzung von Batterien als Second-Life Speicher und so die Batterie-Lebensdauer zu verlängern.

HERAUSFORDERUNGEN:

Die identifizierten Herausforderungen adressieren insbesondere das Aufstellen politischer Rahmenbedingungen für eine breite Markteinführung.

[1] siehe https://www.audi-mediacenter.com/de/pressemitteilungen/audi-neckarsulm-baut-ladeinfrastruktur-mithilfe-von-second-life-batterien-aus-15147 und https://www.jungheinrich.com/presse-events/pressemitteilungen/jt-energy-systems-eroeffnet-25-mw-batteriespeicher-1250888 (letzter Zugriff: 29.09.2023)

Literatur

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[9]       L. Peiseler et al., Next Energy 2023, 1. https://doi.org/10.1016/j.nxener.2023.100017

[10]     L. Ellingsen et al., Journal of Industrial Ecology 2023, 18. https://doi.org/10.1111/jiec.12072

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[17]     Eirich, Präsentation, Dry Coating Forum, Dresden, 12.09.2023.

[18]     Bühler AG, Präsentation, Dry Coating Forum, Dresden, 12.09.2023.

[19]     SVOLT, Präsentation, Dry Coating Forum, Dresden, 13.09.2023.

[20]     ZSW, Präsentation, Dry Coating Forum, Dresden, 13.09.2023.

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[23]     L. Overbeck et al., Procedia CIRP 2023, 118, 976-981. https://doi.org/10.1016/j.procir.2023.06.168

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[25]     Strategy&, PEM, European battery recycling market analysis 2023, zu finden unter: https://www.strategyand.pwc.com/de/en/recycling-european-battery.html (letzter Zugriff: 29.09.2023)

[26]     M. Schulz-Mönninghoff et al., Journal of Cleaner Production 2023, 382. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.135232

[27]     S. Wu et al., Batteries 2023, 9, 297. https://doi.org/10.3390/batteries9060297 

[28]     L. Reinhart et al., Journal of Cleaner Production 2023, 416. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.137834 

[29]     H. Lefherz et al., Procedia CIRP 2023, 116, 65-70. https://doi.org/10.1016/j.procir.2023.02.012 

[30]     A. Kampker et al., World Electr. Veh. J. 2023, 14, 80. https://doi.org/10.3390/wevj14040080

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Summary Briefing des TraWeBa-Projekts Q3 2023

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