Ganzheitliche Forschung vom Material bis zur vollständigen Zelle

Bereich: System Zelle
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Sie sind Grundlage unseres Alltags wie auch Wegbereiter für die Zukunft: die Batteriezellen. Deren Bestandteile, Anode, Kathode, Elektrolyt und Separator bestimmen maßgeblich Performanz, Energiedichte, Sicherheit und Lebensdauer. Diese zentralen und vor allem hochkomplexen Einheiten sowie ihr Design und die entsprechenden Produktionsprozesse zu analysieren und zu optimieren, ist Aufgabe des Forschungsbereichs System Zelle am MEET Batterieforschungszentrum. Mit einem besonderen Schwerpunkt auf der Prozessanalyse und -optimierung schaffen unsere Wissenschaftler*innen sowohl ein besseres Verständnis der Zelle selbst als auch die Grundlagen für eine leistungsstarke und kostengünstige Batteriezellproduktion. Die Arbeit des MEET Teams gliedert sich in die drei Kompetenzbereiche Zelle & Zelldesign, Batteriealterung und Batteriesicherheit.

Zellproduktion nach Maß

© WWU / MEET

Einen Forschungsschwerpunkt bildet die den Markt dominierende Lithium-Ionen-Batterie. Aber auch zukunftsweisende Technologien wie die Lithium-Metall- oder Feststoffbatterien werden von den MEET Wissenschaftler*innen untersucht. Dabei fokussieren sie sich darauf, neue Produktionsprozesse für bewährte Technologien wie auch Batterien der Zukunft zu entwickeln. Denn die physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften dieser Zellen unterscheiden sich maßgeblich von denen der Lithium-Ionen-Batterie, sodass Produktionsprozesse angepasst werden müssen. Übergreifend analysieren unsere Forscherinnen und Forscher sowohl die Zellen als auch die einzelnen Bestandteile und deren Herstellungsschritte über den gesamten Produktionsprozess hinweg: beginnend bei der Elektrodenfertigung über die Zellassemblierung bis hin zu Formierung und Alterung.

Als eine von wenigen Forschungsgruppen in Deutschland verbindet unser Team die Batteriezellproduktion nicht nur mit den technischen Voraussetzungen, sondern auch mit den chemischen Grundlagen und liefert so wichtige Erkenntnisse für den Aufbau einer erfolgreichen Batteriezellproduktion.
Dr. Markus Börner, Bereichsleiter System Zelle am MEET
  • Ganzheitliche Forschung auf höchstem Niveau

    Der ganzheitliche Forschungsansatz ermöglicht es, Reaktionen in der Zelle und insbesondere auf den Partikeloberflächen auf ihren Ursprung zurückzuführen und auf Basis dieser Ergebnisse Optimierungspotenziale hinsichtlich Zellperformance und Lebensdauer aufzudecken. Mit Erfolg: Das MEET Wissenschaftsteam des Bereichs System Zelle hat dank seiner holistischen Herangehensweise bereits neue Methoden entwickelt, mit denen die Dicke und Zusammensetzung der Solid Electrolyte Interphase (SEI) wie auch der Cathode Electrolyte Interphase (CEI) mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie präzise bestimmt werden kann – eine analytische Herausforderung, da die Interphasen oft nur wenige Nanometer dick sind.

    © WWU / MEET

    Neben einer optimierten Energiedichte, Performance und Lebensdauer sowie möglichst geringer Kosten sind vor allem exzellente Sicherheitseigenschaften entscheidend für den Erfolg neuartiger Batterietechnologien. Somit liegt ein Fokus des Bereichs System Zelle darauf, detaillierter Erkenntnisse zur Sicherheit auf allen Ebenen der Lithium-Ionen-Batterie zu gewinnen: Das betrifft Materialien, Komponenten und Kombinationen genauso wie die vollständigen Zellen in verschiedenen Maßstäben. Denn nur eine ganzheitliche Betrachtung potenzieller Wechselwirkungen ermöglicht es, eine intrinsisch sichere Batterietechnologie zu konstruieren.

    Besonderes Augenmerk legen unsere Wissenschaftler*innen außerdem auf die Entwicklung nachhaltiger Batterien. So forschen sie unter anderem an umweltfreundlichen Prozessen in der Elektrodenfertigung. Ein Ansatz ist das wässrige Prozessieren des Anoden- und Kathodenmaterials. Dabei werden teure, toxische organische Lösungsmittel wie etwa N-Methylpyrrolidon (NMP) in der Kathodenherstellung für Lithium-Ionen-Batterie erfolgreich und ohne Leistungsverlust durch Wasser als Prozesslösemittel ersetzt.

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    Anwendungsorientierte Forschung mit starkem Netzwerk

    Eine enge Zusammenarbeit mit den MEET Forschungsbereichen Analytik & Umwelt sowie Materialien wie auch mit der Fokusgruppe Next Generation und der Nachwuchsforschungsgruppe Mechanistic Understanding untermauern den ganzheitlichen Forschungsansatz. Auch die Kooperationen mit dem benachbarten Helmholtz-Institut Münster (HI MS), einer Außenstelle des Forschungszentrums Jülich, sowie anderen technischen Hochschulen baut der Kompetenzbereich kontinuierlich aus, um gemeinsam die Batterieproduktion voranzutreiben.

    Die Arbeit unseres Teams System Zelle prägt dabei eine hohe Anwendungsorientierung. Neueste Forschungserkenntnisse werden in die Praxis überführt, für diesen Zweck bestehen Kooperationen mit kleinen und mittelständischen Unternehmen als auch großen internationalen Firmen. Ihr umfangreiches Fachwissen in der Batteriezellfertigung bringt das MEET Forschungsteam auch in die neu entstehende, deutschlandweit einmalige Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB) ein, einem Institutsteil des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT am Standort Münster. Ziel der FFB ist es, die Brücke zwischen Forschung und Serienproduktion zu schlagen. Die Basis dafür schaffen die unter anderem am MEET entwickelten detaillierten Forschungsergebnisse über die Batteriezellproduktion im Labor- und Pilotmaßstab, das Zelldesign wie auch die Zellcharakterisierung.