Batterieteam
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Batterieforschung

Das Batterieteam, bestehend aus Forschern und Forscherinnen des Helmholtz Instituts Münster, der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle und der Universität Münster, entwickelt strategische Perspektiven auf die Batterieforschung. Das Forschungsgebiet beinhaltet Kosten-, Versorgungs- und Umweltaspekte entlang der gesamten Wertschöpfungskette sowie Daten-getriebene Ansätze zur Entscheidungsfindung und das Team untersucht den aktuellen Stand der Technik sowie zukunftsweisende Batterietechnologien.

  • Kostenmodellierung

    Beschreibung

    Zurzeit sind die zu hohen Kosten der Batterien immer noch einer der Hauptgründe, die die weitere Verbreitung von Elektrofahrzeugen einschränken.

    Nach eingehender Analyse von Kostenbewertungsmodellen hat das Team detaillierte Bottom-up-Material- und Prozesskostenmodelle entwickelt, die eine Ableitung von Batteriekosten auf Zellebene erlauben und Kosteneffekte unterschiedlicher Batteriematerialien transparent machen.  Das frei zugängliche Bottom-Up Batteriekostenmodell CellEst wird von unserem Lehrstuhl kontinuierlich weiterentwickelt. Version 1.0 wurde im Februar 2019 vorgestellt (Energies) und im April 2021 folgte Version 2.0 (Journal of Power Sources Advances). Die aktuellste Version 2.1 ist seit September 2021 verfügbar und kann als Excel-Modell sammt kurzer Einführung frei heruntergeladen werden. Basierend auf diesen Modellen wurden die optimale Größe einer Batteriefertigungsfabrik untersucht und die künftigen Batteriekosten unter Berücksichtigung des technologischen Fortschritts und der künftigen Materialpreiserwartungen prognostiziert.

    Die Wirtschaftlichkeit verschiedener Post-Lithium-Ionen-Technologien steht ebenso im Fokus unserer Forschung. In dieser Hinsicht wurde die Kompatibilität dieser Technologien mit der Lithium-Ionen-Produktionsinfrastruktur und ihre Auswirkungen auf die Produktionskosten untersucht.

    Ein weiterer Schwerpunt liegt auf der Entwicklung eines Prozesskostenmodels für verschiedene aktive Kathodenmaterialien, die meist den größten Anteil an den Gesamtkosten der Batterie bilden.

    Außerdem beschäftigt das Team sich noch mit der anwendungsorientierten Untersuchung. In unserem kürzlich veröffentlichten Artikel wurde beispielsweise die Wettbewerbsfähigkeit der Lastkraftwagen mit verschiedenen Energiequellen in den USA bewertet.

    Um auch zukünftig den Einfluss technologischer Fortschritte und ökonomischer Entwicklungen zu bewerten, integriert das Team fortlaufend Weiterentwicklungen in Batteriedesign, Materialien, Prozesstechnologie und ökonomischen Parametern in die Modelle.

    Wir freuen uns auf die Zusammenarbeit mit interessierten Partnern aus Industrie und Forschung.

    Publikationen

    1. L. Mauler, X. Lou, F. Duffner, J. Leker, Technological innovation vs. tightening raw material markets: falling battery costs put at risk, Energy Advances, 2022. (https://doi.org/10.1039/D1YA00052G)

    2. L. Mauler, L. Dahrendorf, F. Duffner, M. Winter, J. Leker, Cost-effective technology choice in a decarbonized and diversified long-haul truck transportation sector: A U.S. case study, Journal of Energy Storage, 2022. (https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103891)

    3. L. Mauler, F. Duffner, W. Zeier, J. Leker, Battery cost forecasting: a review of methods and results with an outlook to 2050,  Energy & Environmental Science, 2021. (doi:10.1039/D1EE01530C)

    4. L. Mauler, F. Duffner, J. Leker, Economies of scale in battery cell manufacturing: The impact of material and process innovations, Applied Energy, 2021, 286 (doi:10.1016/j.apenergy.2021.116499)

    5. F. Duffner, N. Kronemeyer, J. Tübke, J. Leker, M. Winter, R. Schmuch, Post-lithium-ion battery cell production and its compatibility with lithium-ion cell production infrastructure, Nature Energy, 2021. (doi:10.1038/s41560-020-00748-8)

    6. M. Greenwood, M. Wentker, J. Leker, A bottom-up performance and cost assessment of lithium-ion battery pouch cells utilizing nickel-rich cathode active materials and silicon-graphite composite anodes, Journal of Power Sources Advances, 2021. (doi.org/10.1016/j.powera.2021.100055)

    7. F. Duffner, M. Wentker, M. Greenwood, J. Leker, Battery cost modeling: A review and directions for future research, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2020, 127. (doi:10.1016/j.rser.2020.109872)

    8. F. Duffner, L. Mauler, M. Wentker, J. Leker, M. Winter, Large-scale automotive battery cell manufacturing: Analyzing strategic and operational effects on manufacturing costs, International Journal of Production Economics, 2020, 232. (doi: 10.1016/j.ijpe.2020.107982)

    9. M. Wentker, M. Greenwood, J. Leker, A Bottom-Up Approach to Lithium-Ion Battery Cost Modeling with a Focus on Cathode Active Materials, Energies, 2019, 12, 504. (doi:10.3390/en12030504)

    Ansprechpersonen

    Xixue Lou, M. Sc.

    Florian Frieden, M. Sc.

  • Umwelteinflüsse und Versorgungsrisiken

    Beschreibung

    Für wettbewerbsfähige Batterien sind neben Kosten und technischer Leistung auch die Umwelteinflüsse von entscheidender Bedeutung.

    Durch den Einsatz von Lebenszyklusanalysen (LCA) wurde bereits der Einfluss unterschiedlicher Metalle im Herstellungsprozess für Kathodenaktivmaterialien untersucht. Ein weiteres Projekt stellte die Entwicklung eines integrierten Standortkonzepts für Batteriefabriken dar, das neben Kosten und Wissen auch Umweltaspekte berücksichtigt.

    Wir arbeiten eng mit der laborbasierten Entwicklung zukünftiger Batterietechnologien zusammen, und optimieren Zellspezifikationen basierend auf ersten Erkenntnissen der Lebenszyklusanalysen. Ebenso arbeiten wir an anwendungsnahen Untersuchungen, beispielsweise durch unsere kürzlich veröffentlichte Untersuchung der Umwelteinflüsse von stationären Batterieheimspeichern.

    Im Hinblick auf die Batterieversorgung wurden im Rahmen eines Projekts Methodiken entwickelt, globale Versorgungsrisiken für Batteriematerialien zu quantifizieren und diese auf Batterieebene zu aggregieren.

    Um weiterhin eine ganzheitliche Betrachtung der Entwicklungen im hochdynamischen Batterieumfeld zu ermöglichen, wird die Forschung kontinuierlich um weitere Schritte der Batteriewertschöpfung und neue Technologien ergänzt.

    Wir sind stets offen für Kooperation zu umweltrelevanten Fragestellungen in Industrie und Forschung.

    Publikationen

    1. Gutsch, M. & Leker, J. Global warming potential of lithium-ion battery energy storage systems: A review. J. Energy Storage 52, 2022. (doi:https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105030)
    2. M. Greenwood, M. Wentker, J. Leker, A region-specific raw material and lithium-ion battery criticality methodology with an assessment of NMC cathode technology, Applied Energy, 2021. (doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.117512)
    3. F. Duffner, O. Krätzig, J. Leker, Battery plant location considering the balance between knowledge and cost: A comparative study of the EU-28 countries, Journal of Cleaner Production, 2020, 264. (doi:10.1016/j.jclepro.2020.121428)
    4. Wentker, M., Greenwood, M., Asaba, M. C. & Leker, J. A raw material criticality and environmental impact assessment of state-of-the-art and post-lithium-ion cathode technologies, Journal of Energy Storage 26, 2019. (doi:https://doi.org/10.1016/j.est.2019.101022)

    Ansprechpersonen

    Moritz Gutsch, M. Sc.

    Florian Dietrich, M. Sc.

  • Data Science

    Beschreibung

    In der heutigen turbulenten Umwelt mit wachsender Informationsflut werden strategische Entscheidungsfindungen immer komplexer. In diesem Zusammenhang ermöglichen Data Science-Ansätze das Aufdecken versteckter Sachverhalte, die Identifizierung von Trends und die Visualisierung von Beziehungen aus großen Datenmengen (Big Data), um Entscheidungsfindungen zu unterstützen.

    Durch die Anwendung von Netzwerkanalysen und neu eingeführter Metriken auf Patentdaten konnten wir bereits die Entwicklungstrends der Festkörperbatterietechnologie untersuchen. Der weitere Einsatz von Link Prediction, Machine Learning sowie Text Mining ermöglichte zudem die Nutzung von Patentdaten zur Vorhersage zukünftiger Technologieentwicklungen von Post-Lithium-Ionen Batterien und der Extraktion ihrer prominenten Anwendungsbereiche aus Textdaten. Neben Patentdaten wurden M&A-Daten zur Untersuchung der Entwicklungspfade von Marktkonvergenzen und der damit einhergehenden potentiellen Marktentwicklungen genutzt. Durch die Datenanalyse öffentlicher Förderdatenbanken konnte die Kooperationsstruktur der universitären und industriellen, deutschen Batterieforschungslandschaft visualisiert werden.

    Im Rahmen unserer Forschung erfolgt die Datenanalyse auf Basis kommerzieller Datenbanken, die gut kurierte Informationen in Form von Patenten, M&A- und Start-up-Daten bereitstellen, aber auch Social-Media-Daten (z. B. Twitter) und öffentliche Datenbanken (z. B. EU-Förderdatenbanken) werden genutzt. Die Untersuchungen umfassen sowohl strukturierte als auch unstrukturierte Daten, um wichtige Einblicke in Markt- oder Technologieentwicklungen zu erhalten.

    Wir sind stets offen für Kooperationen zu markt- und technologierelevanten Fragestellungen in Industrie und Forschung.

    Publikationen

    1. Block, A., & Song, C. H. (2022). Exploring the characteristics of technological knowledge interaction dynamics in the field of solid-state batteries: A patent-based approach. Journal of Cleaner Production, 353, 131689. (https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.131689)
    2. Aaldering, L. J., & Song, C. H. (2021). Of leaders and laggards-Towards digitalization of the process industries. Technovation, 105, 102211. (DOI: 10.1016/j.technovation.2020.102211)
    3. Aaldering, L. J., & Song, C. H. (2019). Tracing the technological development trajectory in post-lithium-ion battery technologies: A patent-based approach. Journal of Cleaner Production, 241, 118343. (https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.118343)
    4. Aaldering, L. J., Leker, J., & Song, C. H. (2019). Competition or collaboration?–analysis of technological knowledge ecosystem within the field of alternative powertrain systems: a patent-based approach. Journal of cleaner production, 212, 362-371. (https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.12.047)
    5. Aaldering, L. J., Leker, J., & Song, C. H. (2019). Uncovering the dynamics of market convergence through M&A. Technological forecasting and social change, 138, 95-114. (https://doi.org/10.1016/j.techfore.2018.08.012)
    6. Aaldering, L. J., Leker, J., & Song, C. H. (2019). Analysis of technological knowledge stock and prediction of its future development potential: The case of lithium-ion batteries. Journal of cleaner production, 223, 301-311. (https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.03.174)
    7. Aaldering, L. J., Leker, J., & Song, C. H. (2019). Recommending untapped M&A opportunities: A combined approach using principal component analysis and collaborative filtering. Expert systems with applications, 125, 221-232. (https://doi.org/10.1016/j.eswa.2019.02.004)
    8. Song, C. H., & Aaldering, L. J. (2019). Strategic intentions to the diffusion of electric mobility paradigm: The case of internal combustion engine vehicle. Journal of Cleaner Production, 230, 898-909. (https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.05.126)
    9. Aaldering, L. J., Leker, J., & Song, C. H. (2018). Analyzing the impact of industry sectors on the composition of business ecosystem: A combined approach using ARM and DEMATEL. Expert Systems with Applications, 100, 17-29. (https://doi.org/10.1016/j.eswa.2018.01.045)

    Ansprechpersonen

    Anton Block, M. Sc. 

    André Hemmelder, M. Sc.