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Stofflicher Speicher
BMWi
Stationäre Batteriespeicher 8.11.2016

Integration von Heimspeichern in Hausnetze zur Eigennutzung von Strom aus PV-Anlagen.
© VARTA Storage GmbH

Lithium-Batterien günstig fertigen

Verglichen mit anderen elektrochemischen Speichern haben Lithium-Ionen-Batterien hohe energetischen Wirkungsgrade, hohe Energiedichten und lange Lebensdauern. Sie sind deshalb für viele mobile Anwendungen die erste Wahl. Als stationäre Speicher werden sie jedoch noch nicht oft eingesetzt und sind vergleichsweise teuer. Umweltfreundliche und kostengünstige Fertigungsprozesse für die Batteriezellen und Speichersysteme sollen das ändern.

Projektstatus Erprobung der Zellen
Typische Anlagengröße Energie [MWh] 0,01 bis 0,1
Energiedichte volumetrisch [Wh/l] 275 Wh/l bzw. 130 Wh/l
Energiedichte gravimetrisch [Wh/kg] 130 Wh/kg bzw. 60 Wh/kg
Leistungsdichte gravimetrisch [Wh/kg] 500 W/kg
Zyklenfestigkeit (80% Entladetiefe) 6.000 – 16.000
Brauchbarkeitsdauer d. Anlage (1 Z/Tag) 1 bis 10 Zyklen/Tag
Typische Entladezeit 0,25 bis 10 h
Anwendungsfelder Beispiele Stationäre Energiespeicher zur Haus- und Netzintegration
Projektlaufzeit März 2015 bis März 2018

Im Antriebsstrang von Fahrzeugen haben sich Lithium-Ionen-Batteriezellen als Energiespeicher ebenso etabliert wie auch in Notebooks, Mobiltelefonen oder Radios. Die für mobile Einsatzzwecke entwickelten Zellen finden sich aus Mangel an Alternativen oftmals auch in stationären Speichern für Haus- und Netzanwendungen. Da sie nicht für diese Verwendungszwecke optimiert sind, können die Zellen geforderte Eigenschaften, wie Langlebigkeit, Sicherheit, Umweltfreundlichkeit und niedrige Fertigungskosten, oft nicht erfüllen.

Im Projekt LiSta erarbeiten Wissenschaftler Grundlagen für spezialisierte Energiespeicher, die kostengünstig, umweltfreundlich und langlebig sind und so stationären Anwendungen besser gerecht werden. Dazu untersuchen sie Materialien, Zell- und Speicherdesigns, Fertigungsmethoden sowie Analysemethoden zur Alterungsbestimmung.

In einem ersten Schritt analysieren die Projektpartner die Anforderungen an stationäre Speicher. Daraus ergeben sich die Leistungsmerkmale, die die Batteriezellen erfüllen sollen. Die Partner verfolgen einen integrierten Forschungsansatz, der vom Anwendungstest über Konstruktion, Design, Materialauswahl und Herstellprozess bis zur Fehleranalyse, alle wesentlichen Bereiche der Speichererforschung umfasst.

Damit die Investitionen wirtschaftlich vertretbar sind, streben die Wissenschaftler eine Lebensdauer der Energiespeicher von mehr als 20 Jahren an. Dies entspricht – abhängig von der Anwendung – zwischen 6.000 und 16.000 Vollzyklen-Äquivalenten.

Umweltfreundliches Design

Die Anforderungen an den Speicher legt die Zellchemie fest. Die Wissenschaftler entwickeln umweltfreundliche Herstellprozesse, bei denen sie beispielsweise auf gesundheits- und umweltgefährdende Hilfsstoffe – wie organische Lösemittel – verzichten können. Der Zellaufbau soll eine prozess-optimale Herstellung von Speichern und Batteriezellen ermöglichen. Dieser Aufbau muss sich in Alterungsuntersuchungen bewähren und wird fortlaufend verbessert. Bei der Erforschung der Fertigungsmethoden werden geeignete Maschinen und Werkzeuge konstruiert und beschafft.

Im zweiten Projektjahr fanden grundlegende Untersuchungen statt. Die Analyse- und Herstellmethoden konnten evaluiert werden. Derzeit werden die Erkenntnisse bei der Erprobung der Zellen überprüft und Zellen für Speichereinheiten bereitgestellt.

Arbeitsplan

Jahr 1:

  • Lastenhefterstellung / Anforderungsdefinition für Speicher und Zellen
  • Definition der wichtigsten Herstellschritte und Lastenhefterstellung zur Anlagenauslegung
  • Aufbau Prüffelder / Testeinrichtungen
  • Evaluation von Analysemethoden zur Alterungsuntersuchung
  • Beginn der Materialforschung
  • Beginn der Erforschung an Zellgehäusen und Sicherheitselementen
  • Erforschung der Fertigungsmethoden für Batteriezellen
  • Beginn der Erforschung optimaler Speicherdesigns

Jahr 2:

  • Test erster Materialien; Zellendesigns und Fertigungsmethoden
  • Abschluss der Erforschung grundlegender Prozessparameter
  • Beginn der Umsetzung in Forschungsversuchsanlage
  • Evaluation erster Muster in Speichereinheiten
  • Analyse von Schwächen und Alterungseffekten

Jahr 3:

  • Testphase von Zellen aus der Forschungsversuchslinie
  • Aufbau von Speichermodulen und Speichern
  • Test von Speichern und Zellen unter realitätsnahen Bedingungen
  • Analyse der Eigenschaften und Alterungseffekte

Projektpartner

  • Die Hochschule Aalen erforscht Methoden zur Analyse von Alterungsmechanismen und Grundlagen zur Gestaltung optimaler Zellgehäuse, die eine hohe Langlebigkeit aufweisen. Damit werden die von VW-VM erstellten Zellen auf Schwachstellen und Alterungseffekte untersucht. Es werden langlebige Zellgehäusevarianten erforscht, die in zur direkten Prüfung bei VW-VM eingesetzt werden. Ein wichtiger Schwerpunkt ist die Schaffung dauerstabiler elektrisch isolierender Durchführungen der Ableiter.
  • VARTA Storage erforscht Speicherdesigns und Herstell-methoden für diese Systeme. Dabei werden die Batteriezellen vom Partner VWVM integriert und in realitätsnahen Tests geprüft.
  • VW-VM Forschungsgesellschaft erforscht Materialien, Zelldesigns und Fertigungsmethoden zur Herstellung besonders sicherer und langlebiger Batteriezellen für stationäre Speicher. Als Aktivmaterialien stehen dabei Lithiumeisen-phosphat, Lithiumtitanoxid und Kohlenstoffmaterialien im Fokus. Wesentlich hierbei ist die umweltfreundliche Verarbeitung. Im Rahmen der Batteriezell-Forschung sollen langlebige und robuste Zelldesigns und kostengünstige Fertigungsmethoden gefunden und überprüft werden.
Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

24. April 2017
Group Exhibit Hydrogen + Fuel Cells + Batteries

8. Mai 2017
Energy Storage World Forum 2017

10. Mai 2017
Energy Storage Innovations Europe

» Alle Termine

Projektadressen

Ansprechpartner
Weitere Adressen

Infobox

Die Publikation “Polymer aluminium hybrid structure joint by injection molding” von Achim Frick, Steffen Aldinger and Marcel Spadaro des Institute Polymer Science and Processing (IPSP) der Hochschule Aalen.

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.