Innovation

durch Forschung

customcells® forschungsprojekte

Die vorhandene Leistungsfähigkeit bei mobilen Endgeräten, Drohnen, Elektromobilen oder im Rahmen der stationären Speicherung von erneuerbaren Energien würde es ohne entsprechend leistungsstarker Lithium-Ionen-Batterien heute so nicht gegeben. Der Bereich der Lithium-Ionen-Batterien unterteilt sich dabei je nach Anwendung in unterschiedliche Zelltypen. Hierbei kommen je nach Einsatzgebiet der Zelle verschiedenste Komponenten und Materialkombinationen zum Einsatz.

Aus den zahlreichen Kombinationsmöglichkeiten ergeben sich viele Möglichkeiten der Optimierung und Anpassung von Lithium-Ionen Zellen – auch hinsichtlich ihrer spezifischen Anwendung. Ebenso bietet die Entwicklung von Post-Lithium Systemen ein enormes Optimierungspotential. Die Untersuchung von neuen Bindesystemen zur Elektrodenherstellung, die Generierung von höheren SI-Anteilen der Anode zur Steigerung der Kapazität oder die Untersuchung der Magnesium-Schwefel Zellchemie sind nur einige Beispiele im Rahmen der potentiellen Entwicklungsmöglichkeiten im Segment der Lithium-Ionen Batterien.

Um im Rahmen der technologischen Entwicklung auch weiterhin an der Speerspitze zu sein, engagiert sich CUSTOMCELLS® mit zahlreichen interdisziplinären Partnern aus Forschung und Industrie kontinuierlich in öffentlichen Kooperationsprojekten an der Erforschung von neuen Materialien und Konzepten sowie an der Entwicklung neuer Innovationen für spezielle Anwendungen.

LAUFENDE FÖRDER- / FORSCHUNGSPROJEKTE

Im Rahmen der technologischen Entwicklung engagiert sich CUSTOMCELLS® in unterschiedlichen Förder- und Forschungsprojekten. Nachfolgend eine Übersicht der aktuell laufenden Projekte.

NoVoc

CUSTOMCELLS® entwickelt Trockenprozessierung von Elektroden mit dem Ziel einer nachhaltigen und lösungsmittelfreien Batterieproduktion weiter. Das Projekt NoVOC befasst sich mit dem Thema umweltverträgliche Verarbeitungstechniken für die großtechnische Herstellung von Elektroden und Zellkomponenten für Li-Ionen-Batterien. Die Aktivitäten von NoVOC sind auf die Herausforderungen zugeschnitten, die mit dem Thema der Ausschreibung angesprochen werden: 1. Herstellung von Zellen mit geringerem Kohlenstoff-Fußabdruck in Europa 2. Neue nachhaltige Elektroden- und Zellfertigungstechniken mit geringem Energieverbrauch und ohne Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) 3. Elektrodenbeschichtungstechniken, die ohne organische Lösungsmittel auskommen, reduzieren die mit dem Lösungsmittelrückgewinnungssystem verbundenen Kapitalkosten 4. Trockene Fertigungstechniken mit Materialien der nächsten Generation 5. Industrialisierung geschlossener Kreisläufe und Prozessgestaltung zur Rückführung geringwertiger Chemikalien aus Herstellungsprozessen in hochwertige Produkte.

Im Rahmen von NoVOC wollen wir zwei wettbewerbsfähige Zellfertigungstechnologien entwickeln und demonstrieren - wässrige und trockene Zellfertigungstechnologien für Autobatterien, die in Europa produziert werden sollen. Die im Rahmen von NoVOC vorgeschlagenen Innovationen konzentrieren sich auf die Verbesserung des Zellherstellungsprozesses durch die Integration zweier neuartiger Elektrodenherstellungsprozesse in den derzeit verfügbaren Zellmontageprozess und die Demonstration der Herstellbarkeit von Automobilzellen in zwei Formaten (Beutel und zylindrisch) ohne giftige organische Lösungsmittel zu einem Bruchteil der derzeit verfügbaren Zellherstellungskosten. In Europa entwickelte Zellherstellungsprozesse der nächsten Generation für Batterien für Elektrofahrzeuge.

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HiBRAIN

Das Projekt HiBRAIN wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung "Innovationen für die Energiewende" gefördert. Um das strategische Ziel der Energiewende im Verkehr zu unterstützen, liegt der Schwerpunkt des Projekts auf der Entwicklung neuer Zellen für die elektrochemische Energiespeicherung.  Am HiBRAIN-Projekt sind Vertreter aus der Material-, Elektroden- und Automobilproduktion sowie Softwareentwickler, Universitäten und Forschungszentren mit Expertise in Batteriematerialien, mathematischer Modellierung und modellbasierter (stochastischer und numerischer) Simulation beteiligt. Das HiBRAIN-Projekt stärkt somit die Verbindung zwischen Grundlagenforschung und industrieller Anwendung im Hinblick auf geeignete Simulationsmethoden zur Unterstützung des Elektrodendesigns.

Ziel des Verbundprojekts ist die Entwicklung eines effektiven Werkzeugs für das virtuelle Design neuer Elektroden, ausgehend von der Auswahl geeigneter Materialien, der Wahl der Mikrostruktur (z. B. Größe und Form von Primär- und Sekundärpartikeln), der zusätzlichen Beschichtung aktiver Partikel sowie der Struktur und Dicke der Elektroden. Die Herausforderung des HiBRAIN-Projekts besteht darin, einen ganzheitlichen Ansatz zu entwickeln, der auch die Einbeziehung von künstlicher Intelligenz (KI) zur Optimierung des Elektrodendesigns beinhaltet. Die dafür notwendige umfangreiche Datenbasis soll vor allem durch modellbasierte Simulationen generiert werden, die durch gezielt erhobene experimentelle Daten unterstützt werden sollen.

CUSTOMCELLS® wird sich im Rahmen dieses Projekts vorrangig mit der Herstellung speziell zugeschnittener, leistungsoptimierter Elektroden und Zellen für die Erprobung sowie Validierung des zu entwickelnden Simulationswerkzeugs beschäftigen.

 

HELENA

CUSTOMCELLS® entwickelt und skaliert All-Solid-State-Batterietechnologie mit halidischem Elektrolyten bis hin zu einer prototypischen Zellproduktionsumgebung. Um den kommenden kurzfristigen Bedarf der Batterieindustrie zu decken, ist es zwingend erforderlich, dass ab 2025 eine neue, differenzierende europäische Batterietechnologie für Batterien der Generation 4b auf dem Markt ist. Halide solid state batteries for ELectric vEhicles aNd Aircrafts (HELENA) entspricht dem Bedarf an der Entwicklung einer sicheren, neuartigen Festkörperbatterie mit hoher Energieeffizienz und Leistungsdichte (Batterien der 4b-Generation), die auf einer hochkapazitiven Ni-reichen-Kathode (NMC), einer hochenergetischen Li-Metall (LiM)-Anode und einem Li-Ionen-superionischem-Halogenid-Festkörperelektrolyten für den Einsatz in Elektrofahrzeugen und insbesondere in Flugzeugen basiert. HELENA wird Europa in diesem Sinne auf seinem Weg zu einem klimaneutralen Kontinent unterstützen, da die Elektro-Luftfahrt in den nächsten fünf bis zehn Jahren durchstarten wird und Innovationen für Elektrofahrzeugbatterien bereits angestrebt werden. Außerdem wird HELENA die Abhängigkeit von Asien bei der Batterieproduktion vermeiden. HELENA wird von einem multidisziplinären und forschungserfahrenen Konsortium aufgebaut, das die gesamte Wertschöpfungskette für Batterien abdeckt und eine bahnbrechende Festkörperzellentechnologie auf Halogenidbasis vorschlägt, mit dem übergeordneten Ziel, den Einsatz dieser Batterien in Flugzeugen und Elektrofahrzeugen erheblich zu steigern.

Finanziert von der Europäischen Union. Die geäußerten Ansichten und Meinungen sind jedoch ausschließlich die des Autors/der Autoren und spiegeln nicht notwendigerweise die der Europäischen Union oder von Horizon Europe wider. Weder die Europäische Union noch die Bewilligungsbehörde können für sie verantwortlich gemacht werden.

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Projektwebseite

ProLiT

Mit dem Ziel, eine Trockenbeschichtung für Kathoden in Lithium-Ionen-Batterien (LIB) ganzheitlich zu entwickeln, ist am 1. Januar 2022 das Kooperationsprojekt ProLiT gestartet. Als Bestandteil der Förderrichtlinie „Batteriematerialien für zukünftige elektromobile, stationäre und weitere industrierelevante Anwendungen (Batterie 2020 Transfer)“ im Rahmenprogramm „vom Material zur Innovation“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) bündelt das Projekt alle dafür notwendigen Kompetenzen aus Industrie und Wissenschaft. Ein Hybridansatz koppelt die LIB-Materialentwicklung mit der Prozess- und Anlagenentwicklung mit dem Ziel, sehr gut skalierbare und wettbewerbsführende Prozesse und Produkte in die Industrie zu transferieren. Insgesamt eröffnet das Projekt ökonomische und ökologische Wettbewerbsvorteile durch den Verzicht von dem toxikologisch kritischen N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP). Hieraus resultieren Kosteneinsparungen inkl. der Energie für die Verdampfung, der Trockner- und Gebäudeinvestition und der NMP-Rückgewinnung sowie teure Arbeitsschutz- und Explosionsschutzmaßnahmen. Ökologisch verspricht der Lösungsmittelverzicht eine hohe Energieeffizienz durch geringeren Energieverbrauch des verschlankten Prozesses und die kürzere Prozessdauer. Insgesamt könnten die CO2-Bilanz und Wirtschaftlichkeit der Batteriezellproduktionen und damit die Nachhaltigkeit von Elektroautos und anderen mobilen Produkten gesteigert werden. Die Materialsynthese und -entwicklung zielt auf eine Adaption und Optimierung der LIB-Materialien für den Trockenbeschichtungsprozess zur Realisierung der geforderten Elektrodeneigenschaften. Dies schließt eine Rezepturentwicklung sowie das Verständnis von Ausbildung und Beeinflussung der Mikrostruktur unter Berücksichtigung der Rahmenbedingungen bei der lösungsmittelfreien Prozessführung ein. Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal des Projekts ist die Prozess- und Anlagenentwicklung eines bezüglich des Durchsatzes effizienten Industrieprozesses in Kopplung mit der Produktentwicklung. Dabei erfolgt die wechselseitige Betrachtung von skalierbaren Mischprozessen zur Materialstrukturierung diskontinuierlich im Batch-Mischer und kontinuierlich im Extruder, der kontinuierlichen Dosierung und des Pulverhandlings sowie des eigentlichen und mehrstufig abgebildeten Beschichtungsprozesses im speziell adaptierten Mehrwalzen-Kalander. Die Identifizierung von Potentialen hinsichtlich der Industrialisierung der Verarbeitungsprozesse steht stets im Fokus. CUSTOMCELLS® entwickelt und evaluiert Prozesse zur trockenen Beschichtung von Elektroden der nächsten generation. Der Fokus soll hierbei auf den Produktionsumgebungen sowie der trockenen Slurry-Entwicklung liegen.

 

BetterLiBs

Die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien hängt maßgeblich von der Diffusionsgeschwindigkeit der Lithium-Ionen im Elektrolyt und der chemischen Stabilität (Lithium-Speicherfähigkeit) der Elektrodenmaterialien ab. Wenn Elektrolyte mit ungünstigen Eigenschaften gewählt werden, kann die Speicherfähigkeit und Lebensdauer der Zellen stark limitiert sein. Dies führt beispielsweise bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen zu kurzen Reichweiten und häufigen Batteriewechseln. Bei der Entwicklung von leistungsstarken Zellen spielt somit auch die (Weiter)entwicklung von passenden Elektrolyten eine entscheidende Rolle. Ziel des Projektes BetterLiBs ist die Performancesteigerung von Lithium-Ionen-Batterien mit Flüssigelektrolyt durch Entwicklung neuartiger Elektrolyt-Additive. Die neuen Fluor-freien Additive zeichnen sich besonders durch eine hohe Nachhaltigkeit ihre Multifunktionalität aus. Durch ihre zwitterionischen Eigenschaften erhöhen sie die Polarität und Ionenleitfähigkeit des Elektrolyt und sind zudem thermisch und elektrochemisch sehr stabil. Des Weiteren ermöglichen die Additive durch ihre Polymerisierbarkeit einen Schutz der Elektrodenoberflächen. Durch den Zusatz der neuen Additive sollen die Produktionskosten von Lithium-Ionen-Batterien um bis zu 33 % gesenkt und gleichzeitig deren Zyklenstabilität und Energiedichte deutlich verbessert werden. CUSTOMCELLS® wird die Wirksamkeit der neuen Elektrolyte in Pouchzellen testen. Dazu werden Demonstratorzellen mit verschiedenen Zell-Chemien aufgebaut, um die Kompatibilität und Vorteile der neuen Additive zu untersuchen.

IntelLiGent

CUSTOMCELLS® entwickelt und skaliert Elektroden und Zelldesigns für Batterien der nächsten Generation (3B) auf Basis von Si-Gr/LMnO. Das Projekt IntelLiGent zielt darauf ab die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen in der Öffentlichkeit zu erhöhen, indem es den industriellen Einsatz von Batterien der nächsten Generation erleichtert, die eine größere Reichweite, schnelles Aufladen, niedrige Kosten und erhöhte Sicherheit ermöglichen.

Finanziert von der Europäischen Union. Die geäußerten Ansichten und Meinungen sind jedoch ausschließlich die des Autors/der Autoren und spiegeln nicht notwendigerweise die der Europäischen Union oder von Horizon Europe wider. Weder die Europäische Union noch die Bewilligungsbehörde können für sie verantwortlich gemacht werden.

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HighSpin

CUSTOMCELLS® entwickelt die nächste Generation (3b) der Batteriezellen im Projekt HighSpin. HighSpin zielt darauf ab, hochleistungsfähige, sichere und nachhaltige Hochspannungs-Spinell-LNMO||Si/C-Materialien, -Zellen und -Module der Generation 3b mit einem raschen Industrialisierungsweg zu entwickeln und ihre Verwendung für Anwendungen im Automobil- und Luftverkehr zu demonstrieren. Das Projekt erfüllt vollständig den Forschungsauftrag von HORIZON-CL5-2021-D2-01-02, wobei die Aktivitäten im Bereich "Hochspannung" angesiedelt sind.

Finanziert von der Europäischen Union. Die geäußerten Ansichten und Meinungen sind jedoch ausschließlich die des Autors/der Autoren und spiegeln nicht notwendigerweise die der Europäischen Union oder von Horizon Europe wider. Weder die Europäische Union noch die Bewilligungsbehörde können für sie verantwortlich gemacht werden.

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SOLIFLY

Das SOLIFLY Projekt verfolgt drei vertikale Ziele. Erstens: Die Erforschung und Weiterentwicklung einer nicht-konventionellen Formulierung eines halbfesten Li-Ionen-Batterie-Materials, das sich für strukturelle Batterien eignet: NMC622 (Kathode), Si/C (Anode) und bikontinuierlicher polymerionischer Flüssig-Elektrolyt (BCE), d.h. NMC622|BCE|Si/C. Zweitens: Die Ermöglichung der funktionalen Integration dieses Materials innerhalb der CCF- und RMS-Konzepte, wobei diese auf die Ebene von einer repräsentativen aeronautisch versteiften Paneel Struktur abzielen. Drittens: Der SOLIFLY-Demonstrator zielt darauf ab, eine gravimetrische Energiedichte auf Zellenebene zwischen 100 und 180 Wh/kg zu erreichen bei einer nominale Entladerate von 1C. Die Zelle soll in der Lage sein, 300+ Zyklen bei 0.1C mit 90% Kapazitätserhalt erreichen. Insgesamt soll sich das Konzept auf einem TRL-Level von 4 bewegen. CUSTOMCELLS® erstellt in Zusammenarbeit mit den Partnern ein Industrialisierungskonzept für diese innovative Technologie.

Dieses Projekt wird vom gemeinsamen Unternehmen (Joint Undertaking, JU) Clean Sky 2 im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 der Europäischen Union unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 101007577 gefördert. Das JU erhält Unterstützung vom Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union und den anderen Mitgliedern des Clean Sky 2 JU.

HiQ-Carb

Nachhaltige, hochwertige Kohlenstoffadditive sind essentiell, um die Leistung der Li-Ionen-Batterien weiter zu steigern. Im Projekt HiQ Carb werden hochreine leitfähige Additive und hochwertige Kohlenstoff-Nanoröhren von den führenden europäischen Materialherstellern entwickelt und hergestellt. Die entwickelten hochqualitativen Kohlenstoff-Additive und Kohlenstoff-Nanoröhren werden für die Herstellung der Hochenergie- und Hochleistungskathoden eingesetzt. CUSTOMCELLS® wird die entwickelten Kohlenstoffadditive und optimierten Rezepte verwenden, um die Elektrodenherstellung zu skalieren und Pilotzellen mit einer hohen Leistungsdichte bzw. einer hohen Energiedichte herzustellen.

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RoSiLib

Das Ziel des Projektes ist es, mittels neuartiger nanoporöser Siliziumpulver, die sich über einen kostengünstigen, umweltverträglichen (frei von Flusssäure) und gut skalierbaren Prozess fertigen lassen, den Siliziumanteil der Anode bis auf 25 % - und damit deutlich gegenüber dem Stand der Technik - zu erhöhen. Weiterhin zielt das Projekt auf die Kombination der neu entwickelten Anode mit einer kommerziell verfügbaren Kathode der nächsten Generation (hoher Nickelgehalt) zu einer großformatigen Pouchzelle. Rechnerisch ist durch diese Entwicklung eine Erhöhung der Energiedichte über 350 Wh/kg und 1.000 Wh/l in Pouchzellen zu erwarten. CUSTOMCELLS® wird im Rahmen des RoSiLiB-Projektes an der Anodenpastenentwicklung und an der Batteriezellenherstellung mitwirken.

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NeuroBatt

Durch die systematische Testung von Lithium-Ionen-Batterien mit integrierter optischer Sensorik soll in dem Projektvorhaben NeuroBatt eine Datenbasis generiert werden. Mittels zyklischer und kalendarischer Alterungstests sowie dynamischer Impedanzspektroskopie, wird ein KI-gestütztes Prognosetool zur Zustandsbestimmung und Lebensdauervorhersage von elektrischen Energiespeichern entwickelt und evaluiert. CUSTOMCELLS® entwickelt in dem Projekt intelligente Pouch-Zellen, die durch Integration von Sensoren die Daten für das Prognosetoll liefern. Eine besondere Herausforderung stellt hierbei die direkte Integration einer Glasfaser in die Elektrodenbeschichtung der Zellen dar, welche später über optische Messungen u. a. Daten zu lokalen Druck- und Temperaturunterschieden in den Zellen liefern soll. Die KI-gestützte Auswertung dieser Daten ermöglicht es, eine Optimierung der Betriebsstrategien elektrochemischer Energiespeicher vorzunehmen, um Alterungsseffekte zu begrenzen bzw. frühzeitig zu erkennen.

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InterBATT

Im InterBatt-Projekt entwickelt CUSTOMCELLS® eine neuartige Zelltechnologie, die aufbauend auf einem „All Solid State“-Konzept, auf die heute gängigen Prozesse projiziert werden soll. Zur Erreichung dieser Zielvorgabe werden systematische Anpassungen bei den Fertigungstechnologien vorgenommen. Anodenmaterialien und beschichtete Anodenfolien werden in Zusammenarbeit mit den Partnern entwickelt und weiterverarbeitet. Eine speziell für den Bau von Testzellen konzipierte Kathode soll den schnellen Marktzugang dieser Technologie nach Projektende ermöglichen. Die elektrochemischen Kenndaten der Zellen werden in die Bewertung der Marktsituation eingebunden.

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3beLiEVe

Das Projekt 3beLiEVe zielt darauf ab, die Position der europäischen Batterie- und Automobilindustrie zu stärken, indem es die nächste Generation von Batteriezellen, die in Europa entwickelt und hergestellt werden, für den Elektrofahrzeugmarkt liefert. Schwerpunkte bei CUSTOMCELLS® sind die Entwicklung von Fahrzeugbatteriezellen mit hoher Leistungsfähigkeit (hohe Energiedichte, schnelle Ladefähigkeit, lange Lebensdauer), die frei von kritischen Rohstoffen wie Kobalt und Naturgraphit sind. Zudem wird die Integration von Sensoren in und auf den Zellen untersucht. Damit sollen intelligente, adaptive Betriebsstrategien und fortschrittliche Diagnosen ermöglicht werden, um die Nutzungsdauer der Batterie in Anwendungen zu verlängern.

Dieses Projekt wurde mit Mitteln aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union unter der Fördervereinbarung Nr. 875033 gefördert.

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Projektübersicht

3believe Webseite

Power400

Das Ziel von CUSTOMCELLS® ist die Entwicklung einer in Fahrzeugen installierten Batterietechnologie, die ein schnelles Aufladen innerhalb eines Zeitraums ermöglicht, der mit einem "klassischen Tankstopp" von weniger als zehn Minuten vergleichbar ist. Die mit Schnelladevorgängen verbundenen Nachteile hinsichtlich Batterielebensdauer und Sicherheit werden durch diese neuartige Technologie drastisch reduziert. Im Projekt Power400 arbeitet CUSTOMCELLS® mit Forschungseinrichtungen und Hochschulen eng zusammen. Dieses Verbundprojekt ist ein wichtiger Schritt zur Dekarbonisierung des öffentlichen Verkehrssystems und damit zum Klimaschutz.

BiSSFest

Durch die Entwicklung von Festkörperbatterien können Verbesserungen der herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien in mehreren Bereichen erzielt werden. Durch den Ersatz der meist brennbaren Flüssigelektrolyte mit festen Lithium-Ionenleitern kann die Sicherheit der Zellen deutlich gesteigert werden. Zusätzlich können durch die Verwendung von Anodenmaterialien mit hohen Energiedichten wie z.B. elementarem Lithium Zellen mit extrem hohen Energie- und Leistungsdichten erzeugt werden. In dem durch das BMBF geförderte Projekt „BiSSFest“ sollen Festkörperbatterien mit sulfidischem Festkörperelektrolyt und Lithium-Anode entwickelt werden. Diese Klasse der Festkörperelektrolyte zeichnet sich besonders durch hohe Lithium-Ionen-Leitfähigkeiten sowie eine gute Verarbeitbarkeit aus. Beginnend bei der (Weiter)entwicklung der Materialien, über deren Verarbeitung zu Elektroden und Zellen bis hin zur Definition der Betriebsbedingungen der Batterien sollen alle Aspekte dieses neuen Zelltyps beleuchtet werden. CUSTOMCELLS® wird die Zellassemblierung und die Charakterisierung der sulfidischen Festkörperbatterien im Rahmen des Projektes übernehmen. Besonderes im Fokus steht dabei die Untersuchung der notwendigen Fertigungs- und Betriebsbedingungen der Zellen. Ergänzend wird CUSTOMCELLS® Festkörperbatterien unter vollständig inerter sowie Trockenraumatmosphäre fertigen und deren Performance anschließend vergleichen. Die Arbeiten im Projekt können damit einen wichtigen Beitrag zur Kommerzialisierung dieser neuen, vielversprechenden Batterietechnologie leisten.

ZIM-ERFOLGSBEISPIEL: HOCHTEMPERATURSICHERE LITHIUM-IONEN-AKKUS

Neue Li-Ionen-Batterien erfüllen bei Temperaturen bis 150 °C höchste Sicherheitsstandards. Auch unter extremen Anwendungsbedingungen wie bei geologischen Tiefenbohrungen liefern sie zuverlässig Energie für Sensoren und können vor Ort aufgeladen werden. Die Batterien stehen für vielfältige weitere Anwendungen zur Verfügung. Konventionelle Lithium-Ionen- Batteriezellen garantieren nur in einem begrenztem Temperaturbereich (typischerweise 0 °C bis 40 °C, maximal 60 °C) einen sicheren Einsatz und eine akzeptable Lebenserwartung. Andere Energiespeichersysteme wie Lithium- Metall-Batterien ermöglichen zwar höhere Anwendungstem- peraturen, wie sie beispielsweise bei Tiefenbohrungen auftreten, bergen aber gleichzeitig ein hohes Risikopotential und sind nicht wiederaufladbar. Beim Betrieb so genannter MWD (Measurement While Drilling)-Geräte, bei denen die Messeinrichtungen in den Bohrstrang hinter dem Bohrwerk- zeug integriert sind, müssen die eingesetzten Sensoren mit Energie versorgt werden. Das erledigt zwar ein von der Bohrspülung angetriebener Generator im Bohrkopf, der allerdings nicht durchgehend die gleiche Leistung erbringt. Deshalb werden als Energiepuffer Batterien benötigt, die den extremen Bedingungen standhalten.

Das Produkt und seine Innovation

Angeregt durch den Bedarf der Bohrlochmessungen mit MWD- Geräten haben sich die CUSTOMCELLS®, das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) und das kanadische Unternehmen Evolution Engineering Inc. das Ziel gesetzt, Lithium- Ionen-Batterien zu entwickeln, die besonders sicher sind und bei hohen Temperaturen entladen und geladen werden können. Der bisher bei den Bohrungen nötige Batteriewechsel würde damit entfallen. In dem ZIM-Kooperationsprojekt hat das ISIT ein Konzept für magnetfeldreduzierte Zellen in Li-Ionen- Technologie entwickelt, während sich CUSTOMCELLS® auf die Entwicklung der hochtemperaturfesten Batteriezellen auf Basis einer neuartigen Li-Ionen-Zellchemie mit neuen Materialkombinationen konzentrierte. Dem kanadischen Partner Evolution Engineering Inc. oblagen die Assemblierung zu Batteriepacks, die Anpassung des Batteriemanagementsystems und die Durchführung von Feldtests.

Der Markt und die Kunden

Im Ergebnis der Entwicklung und der Produktion erster Musterserien bietet CUSTOMCELLS® kundenspezifisch konfigurierbare Li-Ionen-Batteriezellen an, die im Temperaturbereich von 0 °C bis 150 °C zuverlässig geladen und entladen werden können, eine hohe Sicherheit gegen thermisches Durchgehen und Metallbrand bieten und auch unter rauen Umgebungsbedingungen mit einer langen Lebensdauer eingesetzt werden können. Das Marktpotenzial für die Hochtemperatur-Lithium-Ionen-Batterien ist groß. Neben dem bereits erfolgten Einsatz bei Bohrloch- messungen bieten sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Sie eignen sich als Energieversorger beispielsweise für die kabellose Energieversorgung von Geräten der Medizintechnik, welche heiß sterilisiert werden, für das Monitoring von sicherheitsrelevanten bzw. besonders gefährdeten Bereichen, in denen eine hohe Umgebungstemperatur auftreten kann, oder auch als Energie-Back-up- System für Stellmotoren in sicherheitskritischen Bereichen, in denen im Katastrophenfall hohe Temperaturen auftreten.

Die Kooperationspartner

Hervorgegangen als Spin-Off aus dem Institut für Siliziumtechnologie der Fraunhofer Gesellschaft (ISIT) gehört die 2012 gegründete CUSTOMCELLS® zu den weltweit führenden Unter- nehmen im Bereich der Entwicklung anwendungsspezifischer Lithium-Ionen-Batteriezellen. Das Fraunhofer ISIT in Itzehoe ist eine der europaweit modernsten Forschungseinrichtungen für Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik. In enger Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie werden hier miniaturisierte Bauelemente der Leistungselektronik und Mikrosysteme für Sensorik und Aktorik entwickelt. Seit über 20 Jahren wird am ISIT darüber hinaus an neuen Li-Akkumulatoren geforscht. Ohne ZIM-Förderung hat sich das kanadische Unternehmen Evolution Engineering Inc., Calgary (Provinz Alberta), an dem Kooperationsprojekt beteiligt. Das 2011 gegründete Unternehmen fokussiert seine Forschung und Entwicklung auf sensorbasierte Lösungen zu verschiedenen technischen Problemstellungen und ist Spezialist für MWD- Geräte.

ERFOLGSBEISPIEL ZIM .PDF

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ABGESCHLOSSENE FÖRDER- / FORSCHUNGSPROJEKTE

CUSTOMCELLS® hat an einer Vielzahl an Förder- und Forschungsprojekten aktiv mitgewirkt.

KomVar

Das Förderprojekt KomVar beinhaltet die Entwicklung und den Aufbau einer Serienproduktion von qualitativ hochwertigen Lithium-Ionen-Batteriezellen in kleinen bis mittleren Volumen am CUSTOMCELLS® Standort in Tübingen. Das vom BMWi geförderte Projekt wurde am 01.09.2019 offiziell genehmigt und forciert mit 8,2 Millionen Euro Gesamtvolumen (4,7 Millionen Fördersumme) über 24 Monate die Entwicklung einer Kompetitiven Variantenfertigung für Lithium Akkumulatoren mit Dienstleistungscharakter zur Lithium-Ionen-Zellentwicklung und für die Produktion von Klein- und Mittelserien für Nischenmärkte. CUSTOMCELLS® wird an allen Arbeitspaketen beteiligt sein. Die Aufgaben im Projekt umfassen neben der Unterstützung bei Planung und Aufbau der Anlagen auch die Entwicklung und Bereitstellung von Elektrodenfolien für die Testproduktionsläufe. Darüber hinaus wird CUSTOMCELLS® auch bei den Qualitätsuntersuchungen an den Zellen beteiligt sein.

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MagSiMal

Das Verbundprojekt zielt auf die Demonstration der Leistungsfähigkeit einer neuen reversiblen Energiespeichertechnologie auf der Basis von Magnesium und Schwefel in einer Industrie-kompatiblen Batteriezelle ab. Das Projekt knüpft an die Entwicklungen des Projektes MagS an (2016-2018). Im Vordergrund von MagSiMal steht die Weiterentwicklung sämtlicher Einzelkomponenten der Magnesium-Schwefel-Zelle, besonders aber der Anoden- und Kathodenaktivmaterialien und des Elektrolyts. Dadurch sollen die Kapazität und die Zyklenfestigkeit der Magnesium-Schwefel-Zellen auf 400 mAh/g(Schwefel) und 40 Zyklen gesteigert werden. CUSTOMCELLS® entwickelt im Projekt Konzepte zur Verarbeitung und Handhabung der neuartigen Zellkomponenten. Durch die verbesserten, feuchte- und sauerstoffresistenten Aktivmaterialien kann die Zellassemblierung in einer zu Lithium-Ionen-Zellen ähnlichen Fertigungsumgebung durchgeführt werden. CUSTOMCELLS® fertigt und charakterisiert Magnesium-Schwefel-Zellen in verschiedenen Zellformaten bis zum VDA-Format (BEV1), um die Kommerzialisierung dieser Technologie weiter voran zu treiben.

LiSiWi

Das Ziel dieses Kooperationsprojektes ist die Entwicklung und Implementierung von hochkapazitiven Anoden für Li-Ion Zellen. Dies soll durch den Einsatz von Kompositen aus einem neuartigen Aktivmaterial, Si-Nanowires (Si-NW) und Graphit, als Anodenaktivmaterial erreicht werden. Die Arbeiten werden gemeinsam mit dem Materialspezialisten ENWIRES durchgeführt. CUSTOMCELLS® wird die eigene, flexible Elektrodenherstellungslinie nutzen, um zur Erforschung der geeigneten Elektrodenrezepte beizutragen. Die so hergestellte Elektrode wird in Pilotzellen angewendet, die entsprechenden Testprotokolle werden ebenfalls untersucht und angewendet.

Website AIF

Website bpifrance

Website Enwires

Fab4Lib

Das Fab4Lib Projekt wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 03XP0142 gefördert. Das Projekt hatte zum Ziel, innovative Lösungen entlang der Wertschöpfungskette der Lithium-Ionen-Technologie zu erforschen und diese in Demonstratoren zu validieren, damit wurde die Grundlage für den Aufbau einer Großserienfertigung von Lithium-Ionenzellen in Europa geschaffen. In elf Arbeitspaketen standen bei den Verbundpartnern mit CUSTOMCELLS® Themen wie energieautonome Infrastruktur, Zelldesign, Innovative Produktionsprozesse und Materialien, Industrie 4.0 oder Recyclingstrategien im Fokus. Am Ende des Projektes stand die Entwicklung eine konkurrenzfähige Produktionseinheit mit einer Produktionskapazität von circa 6 GWh p.a. Die Einheit kann zukünftig dort modular und vielfach aufgebaut werden, wo die entsprechende Kapazität benötigt wird.

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Chits

Neue Li-Ionen-Batterien erfüllen bei Temperaturen bis 150 °C höchste Sicherheitsstandards. Auch unter extremen Anwendungsbedingungen wie bei geologischen Tiefenbohrungen liefern sie zuverlässig Energie für Sensoren und können vor Ort aufgeladen werden. Im CHITS-Projekt wurden wieder aufladbare Lithium-Ionen Zellen entwickelt, die für einen erweiterten Temperaturbereich geeignet sind. In dem ZIM-Kooperationsprojekt hatte das ISIT ein Konzept für magnetfeldreduzierte Zellen in Li-Ionen- Technologie entwickelt, während sich CUSTOMCELLS® auf die Entwicklung der hochtemperaturfesten Batteriezellen auf Basis einer neuartigen Li-Ionen-Zellchemie mit neuen Materialkombinationen konzentriert.

Website German Canadian Centre

ECO COMB´BAT

Ziel des Projektes ECO COM´BAT war es die Kombination von möglichst ökologischen und hoch performanten Materialien für die nächste Generation von Hoch-Volt Li-Ion Batterien zu kombinieren und zu skalieren. Die Herstellung eines ORMOCER®-beschichteten NMC 622 und des Lithiumsalzes LiFSI wurden auf Chargengrößen von ca. 10 - 20 kg hochgefahren. Zusätzlich wurden Verbesserungen bei der Energie- und Leistungsdichte durch die strukturierten Kohlenstoffadditive Porocarb® und Graphistrength® untersucht. CUSTOMCELLS® entwickelte aus diesen neuartigen und nachhaltigen Materialien Pilotzellen, die im Vergleich zu Zellen mit industriellen Referenzproben eine verbesserte Leistung zeigten.

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MagS

Im Verbundprojekt MagS konnte das hohe Potential für Magnesium-Schwefel-Batterien mit hohen Kapazitäten mit stark reduzierten Kosten gezeigt werden.  In der Praxis gibt es allerdings noch jede Menge Herausforderungen bei der Schwefelkathode, dem hohen Überpotential der Magnesium-Anode und der Entwicklung eines geeigneten Elektrolytsystems. CUSTOMCELLS® hat zusammen mit den Projektpartner das Ziel Magnesium- Schwefel Batteriezellen innerhalb eines Pouch-bags in einem größeren VDA-Format zu entwickeln und innerhalb einer Pilotfertigung herzustellen erfolgreich umgesetzt. Im Rahmen des MagS Projekts wurden zudem experimentelle Untersuchungen und theoretische Studien durchgeführt um ein besseres Verständnis des Mechanismus der Magnesium-Schwefel Batterie und dadurch eine verbesserte Performance zu erreichen.

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SiGgl

Im Verbundprojekt SiGgl konnte CUSTOMCELLS® erfolgreich den Übergang der Silicium-(Si-)Kohlenstoff-(C-)Komposit-Technologie vom Labor in den industriellen Maßstab demonstrieren. Das Projekt umfasste die Materialentwicklung von Silicium-Kohlenstoff-Kompositen, Zerkleinerung von Si/C-Mahlkugeln in die Größenordnung von Nanometern und die elektrochemische Oberflächenbehandlung von Silicium-Anoden. Es wurde zudem ein Verfahren zur Fertigung von Silicium-Kohlenstoff-Elektroden im Technikumsmaßstab entwickelt. CUSTOMCELLS® war für die Fertigung des Demonstrators und den dafür notwendigen Scale-up der Fertigung von Si-C Elektroden verantwortlich. 

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BeBAT

Wie lassen sich Lithium-Ionen-Akkus nachhaltiger herstellen? Bei der Beantwortung dieser Frage spielen auch die Bindemittel, die in den Elektroden eingesetzt werden, eine wichtige Rolle. Sie sollten gesundheitlich unbedenklich sein und im Sinne der Bioökonomie einen möglichst hohen biobasierten Anteil enthalten. Die Technische Universität Braunschweig, das Thünen-Institut und die CUSTOMCELLS® sowie die Schill + Seilacher “Struktol“ als assoziierter Partner prüften in einem vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) geförderten Forschungsvorhaben die Eignung biobasierter Epoxid-Härter-Systeme als Ersatz für die gängigen petrochemischen und halogenierten Bindemittel.

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CUSTOMCELLS® Forschungspartner

ihr ansprechpartner für forschungsprojekte

Dr. Sebastian Willrodt
Funded Projects

CUSTOMCELLS Itzehoe 
Fraunhoferstr. 1b
25524 Itzehoe

kontakt(at)customcells.de