SPIDER - Safe and prelithiated high energy density Batteries based on Sulphur Rocksalt and Silicon Chemistries

Im Rahmen des EU-Forschungsprojektes „SPIDER” forschen die TU München, Institut für Werkzeugmaschinen & Betriebswissenschaften (iwb) sowie 13 weitere europäische Forschungseinrichtungen und Unternehmen an einer neuen Generation von Lithium-Ionen-Zellen. Das Konsortium beschäftigt sich mit der Entwicklung und der Produktion einer kostengünstigeren, leistungsfähigeren, langlebigeren und sichereren Akkutechnologie, um eine schnellere Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen und die Reduktion von CO2-Emissionen zu ermöglichen. Zu diesem Zweck kombiniert die SPIDER-Technologie hochleistungsfähige/kosteneffektive Aktivmaterialien, Prälithiierung gegen die Anodenalterung und eigensichere Flüssigelektrolytformulierungen.

Die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen steigt rasant an. Untersuchungen von McKinsey zeigen, dass bis 2030 der Anteil von Elektrofahrzeugen und Plug-in-Hybriden auf fast 20 % des jährlichen weltweiten Automobilabsatzes steigen könnte (fast 35 % des Umsatzes in Europa). Die Elektrifizierung wird als eine große Chance angesehen, die Mobilität deutlich zu verbessern, den Klimawandel zu mildern und die Luftqualität zu verbessern. Um eine Steigerung der Akzeptanz von Elektrofahrzeugen zu ermöglichen, sind jedoch weitere Maßnahmen, wie beispielsweise Kostensenkung, Erhöhung der Reichweite, mehr Sicherheit und kürzere Ladezeiten, notwendig. Hierfür ist die Entwicklung von deutlich verbesserten Materialien ein wichtiger Aspekt.

Projektziel

Das Hauptziel von SPIDER ist es deshalb, eine leistungsstarke, langlebige und sichere Lithium-Ionen-Batterietechnologie zu entwickeln, die auf vier wesentlichen Innovationen basiert:

• Neue Kathoden mit hoher Kapazität, nachhaltig und kostengünstig, basierend auf Steinsalzmaterialien, um eine Energiedichte von 1000 Wh/kg auf Materialebene zu erreichen. Die Gesamtenergie dieser Kathoden bietet im Vergleich zu aktuellen Materialien wie NMC 622 (200 mAh/g) eine beispiellose spezifische Energie. Darüber hinaus sind diese disruptiven Kathoden im Vergleich zu herkömmlichen Technologien frei von kritischen Rohstoffen (Co) und kostengünstiger.
• Hochkapazitive Silizium-Kohlenstoff-Verbundanoden mit Kapazitäten von bis zu 1500 mAh/g ermöglichen es, die Energiedichte der Zelle durch Anpassung des Siliziumgehalts zu erhöhen. Darüber hinaus wird in diesen Anodenmaterialien der Naturgraphit, der ebenfalls ein kritischer Rohstoff ist, teilweise durch Silizium (gewonnen aus unkritischen Legierungen) ersetzt. Die Graphitmenge kann somit um bis zu 80 % reduziert werden.
• Einer der Hauptalterungsmechanismen in Lithium-Ionen-Batterien ist der Verlust von cyclischem Lithium aufgrund der Instabilität der Solid-Electrolyte-Interphase (SEI). Um diesem Effekt entgegenzuwirken und somit die Zyklenfestigkeit zu erhöhen, wird ein Prälithiierungsprozess ent-wickelt und angewandt, um einen zusätzlichen Lithiumspeicher in der Zelle aufzubauen.
• Der Einsatz von modifizierten Elektrolytzusammensetzungen, wodurch brennbare Elektrolytkomponenten entfernt werden und damit die Batteriesicherheit deutlich erhöht wird.

Die Hauptaufgaben des iwb im Projektverbund sind die Entwicklung eines geeigneten Prälithiierungsverfahren, dessen Hochskalierung und die techno-ökonomische Evaluierung verschiedener Prälithiierungsverfahren.

Danksagung

Dieses Forschungsprojekt wird mit Mitteln der Europäischen Kommission im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 (Grant No. 814389) gefördert. Wir danken der EU-Kommission für die Förderung und die Unterstützung bei der Durchführung des Projektes. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.