Boost für Batterieentwicklung in Europa TU Braunschweig: Forschen für die Beschleunigung der Forschung

Unternehmen müssen heute erhebliche Labor- und Personalkosten aufwenden, um das Batteriezellen-Design und ihren Herstellungsprozess für Elektrofahrzeuge zu optimieren. Das von der Europäischen Kommission finanzierte Forschungsvorhaben DEFACTO mit Partnern aus Spanien, Frankreich, Belgien, der Schweiz und aus Deutschland entwickelt deshalb eine multidisziplinäre Methode. Mit dieser Methode sollen einerseits Forschungs- und Innovationsprozesse beschleunigt und andererseits eine Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Industrie ermöglicht werden. Die Technische Universität Braunschweig ist mit dem Institut für Partikeltechnik an dem Projekt beteiligt.

„Das Ziel von DEFACTO ist die Entwicklung eines digitalen Tools basierend auf der Kopplung verschiedener Simulationsmethoden. Wir wollen damit das Verständnis hinsichtlich der Materialwahl, der Elektrodenherstellung sowie -verarbeitung auf europäischer Ebene vertiefen“, sagt Professor Arno Kwade von der TU Braunschweig. Ergänzt wird die Simulationsarbeit durch die Durchführung von Experimenten und den Bau von Prototypen, mit denen die entwickelten Modelle und Softwaretools überprüft werden können. Das Simulationsprogramm wird dazu genutzt, optimierte Prozessparameter für ein gewünschtes Zelldesign zu ermitteln. Durch die Beschleunigung der Forschungs- und Entwicklungsarbeit soll so die Entwicklung von Batterien und die Wettbewerbsfähigkeit in Europa vorangetrieben werden.

Simulation der Elektrodenprozessierung

Die Hauptaufgabe der Arbeitsgruppen von Professor Kwade und Professor Carsten Schilde von der TU Braunschweig liegt in der Simulation der Elektrodenherstellung. Hierbei sollen der Nassmischprozess der Elektrodensuspension, die Beschichtung dieser Suspension auf dem Stromsammler und der Trocknungsprozess simuliert werden. Der Nassmisch- und der Trocknungsprozess nehmen großen Einfluss auf die Struktur und damit die elektrische und mechanische Leistungsfähigkeit der Elektrode. Die virtuelle Elektrode aus der Trocknungssimulation ist Ausgangspunkt für die Simulation des Kalandrierens, also das Verdichten der getrockneten Elektrodensuspension zwischen zwei Walzen zwecks besserer Kontaktierung und Steigerung der Energiedichte.

Zellperformance und Zellalterung

Die Forscherinnen und Forscher in Braunschweig analysieren außerdem die Auswirkung dieser Elektrodenherstellprozesse auf die Zellperformance und die Zellalterung durch mechanische und elektrochemische Alterungsmechanismen. Die Strukturparameter der Elektrode nehmen hierbei unmittelbar Einfluss auf die Performance der Elektrode und somit auf die Batterie.

Zu den Strukturparametern zählt neben der Schichtdicke zum Beispiel die Porosität, also der Hohlraumanteil in der Beschichtung, und die Größenverteilung der Poren. Die Poren sind wichtig, da sich dort das Elektrolyt befindet, durch das sich die Ionen bewegen. Ein weiterer wichtiger Strukturparameter ist die Tortuosität, die ein Maß für die Gewundenheit der Leitpfade für Ionen darstellt, und somit den effektiven Weg, den Ionen beim Be- und Entladeprozess zurücklegen,  beschreibt.

„Dieses Wissen kann dann genutzt werden, um leistungsfähigere Elektroden herzustellen, die Herstellungskosten zu reduzieren und den Ausschuss in der Fertigung zu reduzieren“, sagt Professor Schilde. Außerdem könne durch ein funktionierendes Simulations-Setup im Idealfall die Anzahl von notwendigen Experimenten reduziert und somit Kosten und Anlagenkapazitäten eingespart werden.

Projektdaten

DEFACTO wird mit insgesamt rund sechs Millionen Euro im Rahmen der „Horizont 2020“-Initiative der europäischen Kommission von Januar 2020 bis Juni 2024 gefördert. Die TU Braunschweig erhält anteilig eine Förderung in Höhe von rund 600.000 Euro.

Die Projektleitung übernimmt Cidetec Energy Storage (Spanien). Partner sind neben der TU Braunschweig das Forschungszentrum CEA Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (Frankreich), Centre for Research & Technology Hellas (Griechenland), DLR Institut für Technische Thermodynamik (Deutschland), Fraunhofer ITWM & IWM (Deutschland), ESI Group (Frankreich), Asociación Española de Normalización y Certificación (Spanien), Irizar e-Mobility (Spanien), Leclanché (Deutschland/Schweiz), Universidad Politécnica de Madrid (Spanien), Avesta Battery & Energy Storage (Belgien) und Sustainable Innovations Europe SL (Spanien).