SPICY - Silicon and polyanionic chemistries and architectures of Li-ion cell for high energy battery

Im Rahmen des EU-Forschungsprojekts „SPICY“ wird interdisziplinär an einer neuen Generation von Lithium-Ionen-Zellen für Elektrofahrzeuge geforscht. Dabei werden neue Zell-Chemien und Zell-Architekturen im Hinblick auf Leistung, Sicherheit, Kosten, Recycelbarkeit und Lebensdauer entwickelt.

Die größten technologischen Herausforderungen bei Elektrofahrzeugen sind die Kosten und die Leistungsfähigkeit der verwendeten Komponenten, insbesondere der Batterie. Die Entwicklung neuer Materialien und Zell-Architekturen für Lithium-Ionen-Batterien ist der einzige Weg, um deren Kapazität und Energiedichte zu erhöhen, was zur Steigerung der Reichweite und zur Senkung der Kosten von Elektrofahrzeugen führt. In diesem Kontext werden in dem EU-Forschungsprojekt SPICY die Entwicklung neuer Materialien, Fertigungsverfahren und Technologien für fortgeschrittene Lithi-um-Ionen-Batterien adressiert. Dabei soll die Entwicklung einer starken industriellen Basis für die Zellherstellung in Europa unterstützt werden.

Vorrangiges Ziel des Projektes ist es, die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern und diese durch Prototypen in industriellem Maßstab nachzuweisen. Die Energiedichte soll um mindestens 20 % erhöht werden, bei gleichzeitiger Reduktion der Kosten des Batteriepacks und der verbundenen Systeme um ebenfalls  20 %. Besonderes Augenmerk liegt auch auf der Lebensdauer, der Sicherheit und der Umweltverträglichkeit der neuen Batterien. Dabei werden drei Lösungen für sicherere Lithium-Ionen-Zellen erarbeitet: Weiterentwicklung von Kathoden, Stabilisierung des Elektrolyten und schützende Gehäuse. Weitere beforschte Technologiebausteine umfassen die Materialauswahl (geringer Kupferanteil), den Herstellungsprozess (ressourceneffiziente Prozesse), den Montageprozess, das Verpacken und das Recyceln.

Auf Basis der Projektziele wurden die folgenden Arbeitsschwerpunkte definiert:

• Entwicklung neuartiger Materialien für Lithium-Ionen-Batterien. Hierbei werden neben dem Aktivmaterial auch Passivmaterial und die Verpackung der Batterien adressiert.
• Entwurf einer neuen Zellarchitektur, Modellierung der Lithium-Ionen-Batterie und Aufbau von Prozessverständnis.
• Implementierung der Ergebnisse in den Produktionsprozess unter Berücksichtigung von umweltgerechter Gestaltung der Batterien und der Recycelbarkeit der verwendeten Materialien.

Es soll eine höhere Energiedichte des Kathodenmaterials bei gleichzeitig sichererem Verhalten erreicht werden. Zur Verbesserung des Anodenmaterials soll zum einen die spezifische Kapazität von synthetischem Graphit erhöht werden, zum anderen soll durch die Entwicklung von Nanopartikeln der Einsatz von siliziumhaltigem Aktivmaterial in Lithium-Ionen-Batterien ermöglicht werden. Zudem wird hochspannungsfähiges Elektrolyt hinsichtlich Sicherheit, Leitfähigkeit und Bildung der Solid-Electrolyte-Interface-(SEI)-Schicht optimiert. Durch umweltfreundlichere Materialien und einen verbesserten Recyclingprozess zur Materialrückgewinnung kann der ökologische Fuß-abdruck der neu entwickelten Lithium-Ionen-Zellen verringert werden. Die Ergebnisse des SPICY Projekts sollen eine Zellherstellung der nächsten Generation von Lithium-Ionen-Batterien in Europa befähigen. Zur Unterstützung der Industrialisierung der neuartigen Materialien wird das Zelldesign auf Industriemaßstab untersucht, sowie deren Lebenszyklus und die Kosten evaluiert. Das gewonnene Wissen zur Hochskalierung und zur Massenproduktion wird bereits während des laufenden Projekts in die Industrie transferiert.

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