Laufzeit: 01.07.2013 – 30.06.2016

Projektmanagement: Dr. Colin God

Partner: AIT Austrian Institute of Technology GmbH Wien (KOORDINATOR), AVL List GmbH Graz, LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH, Technische Universität Graz (ICTM)

Innerhalb dieses Projekts soll eine effiziente, wieder aufladbare 3 V Magnesium-Ionen Batterie als Alternative zur Lithium-Ionen Technologie entwickelt werden, um einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Umweltverträglichkeit von Energiespeichersystemen zu liefern.

Zur Realisierung der ambitionierten Ziele stehen Schlüsselkomponenten, wie Anode, Elektrolyt und Kathode im Forschungsschwerpunkt. Einerseits muss die metallische Magnesium Anode bezüglich der Magnesium Abscheidung und Wiederauflösung optimiert werden. Andererseits bedarf es dafür aber auch der Verbesserung eines nicht-wässrigen Elektrolytsystems, das zugleich mit der Kathode kompatibel sein muss. Des Weiteren ist die Synthese eines neuartigen Kathodenmaterials von enormer Bedeutung, wodurch die 3 V Spannung der angestrebten Magnesium-Ionen Batterie überhaupt erst erreicht werden kann. Durch das MagIC-Projekt ist es möglich, Mg-Batteriesysteme mit einer deutlich höheren Energiedichte im Vergleich zu Lithium Systemen zu entwickeln (~ 500 Wh/kg ggü. ~ 300 Wh/kg für Li), wobei die Herstellung der Magnesium-Metallanode gleichzeitig um einen Faktor von 24 billiger ist.

Laufzeit: 01.10.2013 - 31.03.2016

Projektmanagement: Dr. Martin Schmuck

Förderung: Graphene Falgship Programme

Partner: Graphenea S.A. (ESP), STMicroelectronics SRL (ITA), Consiglio Nazionale Delle Ricerche (ITA), Teknologian Tutkimuskeskus VTT (FIN), University of Cambridge UCAM (UK), Nokia UK (UK)

Link: http://graphene-flagship.eu

Flexible Elektronik ist die nächste universelle Entwicklungsplattform für die Elektronikindustrie. In Absehbarer Zeit sollen Forschungsaktivitäten in dieser Richtung konforme, zuverlässige oder sogar transparente elektronische Anwendungen und Systemlösungen ermöglichen. Graphen, welches in sehr dünnen Schichten appliziert werden kann zeichnet sich durch hohe Flexibilität, gute mechanische Stabilität und einer sehr hohen elektronischen Leitfähigkeit aus was dieses Material für den Einsatz in flexiblen elektronischen Systemen prädestiniert. Die Verwendung von Graphen ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen in Analogie bzw. aber auch komplementär zur allgegenwärtigen auf Silizium basierenden Technik. Das in diesem Projekt involvierte Konsortium arbeitet an der Bereitstellung einer vollständigen Lieferkette beginnend mit den Grundmaterialien wie Graphen oder Graphen-Tinten bis hin zur Komponentenentwicklung und schließlich zur vollflexiblen Systemintegration.

Ein wesentlicher Aspekt dieses Projektes ist die Entwicklung von auf Graphen basierenden flexiblen Energiespeichern und Energiesammlern. Für die Anwendung in Lithium Ionen Batterien zeigt Graphen vielversprechende spezifische Kapazitäten von bis zu 744 mAh/g. Desweiteren ist die spezifische Kapazitanz von Graphen um ein vielfaches höher als jene die mit aktivierten Kohlenstoffen in kommerziellen Super-Kondensatoren erreicht wird. Darüber hinaus ist Graphen ein vielversprechendes Material um als Leitfähigkeitszusatz in Komponenten für elektrochemische Stromquellen eingesetzt zu werden.

Laufzeit: 01.10.2010 – 31.12.2013

Projektmanagement: Dr. Harald Kren

Förderung: Kompetenzzentrenprogramm COMET der FFG

Partner: Polymer Competence Center Leoben (AUT); TU Graz – ICTM (AUT); ISOVOLTAIC AG (AUT)

Ziel von ORB ist es, einen auf Polyradikalen basierenden elektrochemischen Energiespeicher zu entwickeln. Solche organische Radikal-Batterien haben gegenüber anderen Batterietypen wesentliche Vorteile wie hohe Ratenfähigkeit (Strombelastbarkeit) und eine hohe Zyklenlebensdauer (>1000 Zyklen) und können dennoch hohe Lade-/Entladekapazität (ca. 200 mAh/g) gewährleisten.

Bereits in den 1970er Jahren wurden sekundäre organische Batterien erstmalig erwähnt, wobei der damalige Ansatz von Heerer et al. auf im dotierten Zustand leitfähigem Polyacetylen basierte. Die wissenschaftliche Entwicklung führte zu Polymeren als Matrix, welche mit einer Vielzahl von redoxaktiven Seitengruppen einen Ladungstransport durch so genanntes Electron-Hopping“ entlang der aktiven Seitengruppen gewährleisten. Bekanntester Vertreter ist beispielsweise die 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl (TEMPO) Einheit, wobei in der Batterieanwendung TEMPO-Einheiten an einer Polymermatrix immobilisiert werden, um daraufhin als Kathodenmaterial zu fungieren. Während im Ladeprozess das Nitroxidradikal zum Oxammonium-Kation oxidiert wird, findet im Entladeprozess die Rückreaktion zum Radikal statt.

Auf diesen Vorergebnissen aufbauend werden die Forschungsarbeiten zu diesem Projekt im Rahmen des Polymer Competence Center Leoben (PCCL) am Institut für Chemische Technologie von Materialien (ICTM) der TU Graz durchführt.

Laufzeit: 01.10.2009 – 30.09.2013
    TUGraz: 01.10.2009 – 30.06.2011
    VMI: 01.07.2011 – 30.09.2013

Projektmanagement: Dr. Bernd Fuchsbichler

Förderung: Neue Energien 2020 (2. Ausschreibung)

Partner: Platingtech Beschichtungs- GmbH (AUT)

Das Ziel von NEULIBE ist es, die Energiedichte und Leistungsdichte von Lithium-Ionen-Batterien durch den Einsatz von dreidimensionalen Stromsammlern basierend auf metallisierten Polymerfliesen zu steigern.

Aktuell werden in Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien meist Folien aus Kupfer und Aluminium als Stromsammler eingesetzt. Diese weisen jedoch eine relativ geringe Kontaktfläche zu den elektrochemischen Aktivmaterialien auf, da sie - abgesehen von einer gewissen Rauigkeit ihrer Oberflächen – im Grunde lediglich eine 2-dimensionale Kontaktfläche zu den restlichen Elektrodenkomponenten bieten. Der daraus resultierende schlechte Elektronentransport kann ursächlich für die unzureichende Elektrodenkinetik und Ratenfähigkeit solcher Elektroden sein.

Dreidimensionale Stromsammler weisen deutlich größere Kontaktflächen als die erwähnten Stromsammlerfolien auf, wodurch die elektrische Anbindung der Aktivmaterialien deutlich verbessert wird. Ein weiterer Vorteil besteht in der mechanischen Stabilisierung der Elektroden, was besonders bei der Verwendung von hochkapazitiven Anodenmaterialien (z. B. Silizium, Zinn) unabdingbar ist, da bei diesen Aktivmaterialien mit der Aufnahme bzw. Abgabe der Lithium-Ionen gravierende Änderungen des Volumens einhergehen.

Dreidimensionale Stromsammler haben somit das Potential zu einer Schlüsseltechnologie für die nächste Generation von Lithium-Ionen-Zellen zu werden.

Laufzeit: 01.09.2012 - 31.08.2015

Projektmanagement: Dr. Martin Schmuck

Förderung: Electromobility ERA-Net Plus Initiative

Partner: Fraunhofer IWS (GER); TU-Dresden (GER); SGL Carbon GmbH (GER); Uppsala University (SWE); Scania CV AB (SWE)

Eine der Möglichkeiten, die Energiedichte von state-of-the-art Lithium-Ionen-Batterien signifikant zu erhöhen, ist der Einsatz von Schwefel als Aktivmaterial an der positiven Elektrode. Dies würde elektrochemische Energiespeicher mit einem Energieinhalt von bis zu 750 Wh kg-1 ermöglichen. Des Weiteren ließen sich dadurch kostengünstigere Systeme realisieren, da Schwefel besser verfügbar, billiger und weniger giftig ist als die kommerziell verfügbaren kobaltbasierenden Materialien. Jedoch birgt die Lithium-Schwefel-Chemie einige Herausforderungen in sich, die nur durch systematische Weiterentwicklung neuer Materialkonzepte überwunden werden können. Nachfolgende Effekte sind maßgeblich für die schlechte Zyklenstabilität von Lithium-Schwefel-Zellen verantwortlich:

  • Geringe elektrische und ionische Leitfähigkeit des Schwefels
  • Löslichkeit von Polysulfiden in den gebräuchlichen Elektrolytsystemen
  • Geringe Reversibilität der Lithium Abscheidung und Auflösung

Dem vorliegenden Projekt liegt der Anspruch zu Grunde, durch neue Materialkonzepte diese bestehenden Limitierungen des Lithium/Schwefelsystems zu überwinden.

Laufzeit: 01.01.2011 - 31.12.2013

Projektmanagement: Dr. Martin Schmuck

Förderung: FWF (Kooperatives Projekt)

Partner: Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden (GER); Institut für Optik und Atomare Physik - TU-Berlin (GER); Universität Ulm (GER)

Link: http://www.spp1473.kit.edu/24.php

Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von Materialtechnologien, die die Realisierung von Lithium-Schwefel-Batteriesystemen ermöglichen, durch welche sich eine bis zu 3 Mal höhere spezifische Energie im Vergleich zu kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien erzielen ließe. Dies soll durch die Entwicklung von hierarchisch nano- und micro-strukturierten Schwefel/Kohlenstoff-Elektroden erreicht werden. Zum tieferen chemischen Verständnis der ablaufenden elektrochemischen Reaktionen werden auf diese Zellchemie adaptierte spektro-elektrochemische in-situ Methoden entwickelt. Mit Hilfe der elektrochemischen in-situ-FTIR Methode sollen Effekte im Elektrolyten allgemein, sowie die ladezustandsabhängigen Veränderungen von Elektrolytkomponenten untersucht werden. Die in-situ-XRD Methode soll Aufschluss über die Reversibilität der potentialabhängigen elektrochemischen Reaktionen an der Schwefel/Kohlenstoff-Elektrode geben. Die aus diesen Experimenten gewonnenen Erkenntnisse sollen zur Optimierung von Elektrolytkomponenten bzw. der Elektrodenmaterialien in Lithium-Schwefel-Zellen dienen.

Laufzeit: 01.02.2013 - 31.01.2017

Projektmanagement: Dr. Martin Schmuck

Förderung: FP7-NMP-2012-LARGE-6; Projektnummer: 309530

Partner: Fraunhofer-Gesellschaft (GER); CVD Technologies Ltd. CTEC (UK); Beneq Oy (FIN); EADS Deutschland GmbH (GER); Regatron AG (SUI); Tyndall National Institute (IRL); University of Salford (UK); Technical University Dresden (GER); Research Centre for Natural Sciences (HUN); HTM Reetz GmbH (GER); FMP Technology GmbH (GER); Freitaler Geräte- und Werkzeugbau GmbH (GER); Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (SUI); Inventux Technologies AG (GER); Solibro GmbH (GER); SolarPrint Ltd. (IRL); University of Manchester (UK); LayTec in-line GmbH (GER); B-nano Ltd. (ISR); Centre Suisse d Electronique et de Microtechnique (SUI)

Als „Large-scale integrating project“ hat PLIANT die Implementierung von Oberflächen-Nanotechnologien in den Bereichen Energiespeicherung, Photovoltaik und Aeronautics zum Ziel. Der Bereich Energiespeicherung beschäftigt sich mit der Entwicklung eines „Roll-to-Roll“ (R2R) Prozesses für die Herstellung strukturierter 3-dimensionaler Kohlenstoff-Nano-Röhren (CNT). Dieses Material besitzt ein hohes technisches Potential um in zukünftigen Hochenergiebatterien (Li/S) sowie in Hybridkondensatoren, welche als Schlüsselkomponenten von Energiespeichersystemen der nächsten Generation identifiziert wurden, Einsatz zu finden. Des Weiteren werden in-line Produktionsprozesse  entwickelt, um diese CNT´s mit nano-strukturierten Aktivmaterialien wie Schwefel oder Lithiumsulfid zu beschichten. Resultat des Projektes wird ein umfassendes Konzept für den Aufbau einer in-line Pilotanlage zur Fertigung von Energiespeichersystemen basierend auf diesen 3-dimensionalen Kohlenstoff-Nano-Röhren sein.

Laufzeit: 01.10.2013 – 31.10.2016

Projektmanagement: Dr. Harald Kren

Förderung: FP7-ENERGY-2013-1 (Projektnummer: 608491)

Partner: COMMISSARIAT A L ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES (FRA), CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE (FRA), TECHNION - ISRAEL INSTITUTE OF TECHNOLOGY (IL), HUTCHINSON GMBH (GER), IOLITEC IONIC LIQUIDS TECHNOLOGIES GMBH (GER)

Ziel des Projektes stellt die Verbesserung der Performance von Lithium Ionen Batterien und Supercaps dar. Das Fundament solcher Verbesserungen ist ein besseres Verständnis des Aufbaus von Zwischenphasen an Elektrodengrenzflächen während der Zyklisierung, wobei auf diese Weise eine Kontrolle bzw. Optimierung ebendieser ermöglicht wird. Diese Zielsetzung wird in ENERGY.2013.7.3.3 thematisiert.

Mithilfe eines Netzwerkes von Charakterisierungsmethoden werden im Rahmen des Projektes Grenzflächen und ihr Verhalten in situ bzw. in operando untersucht. Die Zielsetzung liegt in der Kontrolle bzw. Optimierung der Elektroden/Elektrolytgrenzschicht der Anode durch Untersuchung der strukturellen, chemischen und morphologischen Veränderung während des Lade-/Entladeprozesses. Dies umfasst Studien der Aktivmaterialmorphologie und Funktionalisierung bei unterschiedlichen Elektrodenformulierungen und Elektrolytformulierungen. Für ein vertieftes Verständnis der Grenzschichten von wiederaufladbaren Batterien und Supercaps werden unterschiedliche, klassische sowie fortschrittliche Charakterisierungsmethoden angewandt, welche auch Großgeräte umfassen, die beispielsweise eine Bestrahlung mit Synchrotron- und Neutronen Strahlung erlauben. In diesem Zusammenhang werden Elektroden auf molekularer und atomarer Ebene untersucht und diese Ergebnisse mit Modelsystemen und mit numerischen Simulationen kombiniert. Auf Basis dieser Erkenntnisse werden Strategien entwickelt, welche die Basis für zukünftige Innovationen an großen Energiespeichersystemen auf Stromnetzebene erlauben. Des Weiteren umfasst das Projekt auch das Testen der Leistungsfähigkeit und Sicherheit eben dieser entwickelten Strategien. Das Hauptaugenmerk des Projektes liegt hierbei nicht in der Entwicklung neuartiger Materialien, sondern in der Verbesserung bestehender Materialien wie nano-partikulärem Silizium und Graphen basierenden Kohlenstoffmaterialien.

Laufzeit: 01.01.2011 – 31.12.2013

Projektmanagement: Dr. Harald Kren

Förderung: FP7-NMP-2009-SMALL-3 (Projektnummer: 246073)

Partner: Commissariat à l’ Energie Atomique (FRA); Centre National de la recherche Scientifique (FRA); University of Cologne (GER); Lancaster University (UK); Universidad Politecnica de Valencia (ESP); Centro Ricerche Fiat SCPA (ITA); VARTA Microbattery (GER)

Link: http://www.fp7grenada.eu/index.html

In den letzten Jahren konnten nano-strukturierte Filme zunehmende Bedeutung in elektronischen (Transistor), optischen (OLED), magnetischen und vor allem elektrochemischen (Batterien und Superkondensator) Applikation erlangen.

Eine vielversprechende Anwendung im Rahmen dieser Stoffklasse stellt der Einsatz von Graphen als negatives Elektrodenmaterial sowie als Leitfähigkeitsadditiv für die negative und positive Elektrode in Lithium-Ionen-Zellen dar. In Superkondensatoren werden Elektroden basierend auf diesen Materialien ebenfalls herausragende Fähigkeiten attestiert.

Bei der elektrochemischen Reaktion von Graphen mit Lithium wird die Ausbildung der Grenzstruktur LiC3 postuliert, wodurch eine theoretisch maximale Kapazität von 744 Ah/kg möglich ist. Zusätzlich weisen diese Materialien eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit auf, woraus sich auch die Anwendung als Leitfähigkeitsadditiv ergibt.

Gemeinsam mit den 7 exzellenten Partnern und unterstützt durch das 7. Rahmenprogrammes der Europäischen Kommission wird seitens der VARTA Micro Innovation GmbH die Eignung von Graphen für die Anwendung in Lithium-Ionen-Zellen untersucht.