Safe.SIB

Kurzbeschreibung

Das Projekt zielt darauf ab eine sichere, langlebige und skalierbare Natrium-Ionen Batterie (SIB) für stationäre Anwendungen zu entwickeln und zu produzieren. Diese stationären Speicher dienen der Stromspeicherung im Zeitbereich von Sekunden bis Tagen. Die wichtigsten zu erfüllenden »Key Performance Indicators« (KPIs) eines stationären Energiespeichers sind niedrige Kosten (Investitions- und Betriebskosten), hohe Langlebigkeit (zyklisch und kalendarisch) und eine hohe Sicherheit. Anders als bei Batterien für mobile Anwendungen, z.B. in Elektroautos, ist die Energiedichte von etwas geringerer Bedeutung. Die Eigenschaften der neu aufkommenden SIB-Technologie zeigen eine sehr hohe Passgenauigkeit zu den benötigten KPIs eines stationären Stromspeichers.

In Safe.SIB werden sichere und langlebige Natrium-Ionen Batterien mit einem neuen Elektrolyten entwickelt. Dazu werden in zwei Phasen iterativ Pouchzellen (5 Ah und 30 Ah) gefertigt und hinsichtlich ihrer Leistung, Performance und Sicherheit charakterisiert. Mit den großformatigen Pouchzellen wird anschließend ein stationärer Speicher ausgelegt und ein Demonstrator aufgebaut und getestet.

Der Arbeitsplan umfasst sechs Arbeitspakete: 

AP 1: Optimierte Flüssigelektrolytformulierungen mit erhöhter Sicherheit (FZJ/IEK-12)
Das Ziel dieses Arbeitspakets ist es, optimierte nicht brennbare und nicht wässrige Flüssigelektrolytformulierungen zu entwickeln, die mit denen im Projekt definierten Anode und Kathode kompatibel sind. Die Optimierung umfasst die Variation der Konzentration des Leitsalzes,
des verwendeten Lösungsmittels/Co-Lösungsmittels (binäre oder ternäre Mischung) und des Lösungsmittelanteils in der Mischung sowie die Auswahl geeigneter filmbildender (SEI und CEI) und sicherheitsrelevanter (flammhemmender) funktioneller Additive.

AP 2: Arbeitspaket 2: Kleinformatige Zellfertigung (MANUGY)
In AP2 entwickelt MANUGY notwendige Anlagentechnik mit besonderem Fokus auf die Semi-Assemblierung der SIBs. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Technik zum Stacken (ausgeführt als Z-Falten), da diese als Schlüssel-Know für eine reproduzierbare und genaue Assemblierung der SIB-Prototypen erachtet wird. Es wird eine Maschine entwickelt und umgesetzt, in der Magazine mit Elektrodensheets eingesetzt werden, welche dann automatisiert im Verfahren des Z-Foldings zu einem Zellstapel assembliert werden. Über bestehende Infrastruktur können die Elektroden entsprechend der Magazine vereinzelt und anschließend verschweißt werden. Um die in diesem Projektvorhaben entwickelten, sicheren SIBs in der Entwicklungsphase zu testen, werden die kleinformatige Pouchzellen (5 Ah ohne Elektrolyt) den Projektpartnern zur Verfügung gestellt. Das AP2 dient zusätzlich der (Konzept)-Entwicklung einer gesamtheitlichen SIB-Produktionslinie, um den Aufbau von zukünftigen SIB-Fertigungslinien vorzubereiten. Unterstützt werden die Arbeiten durch die Entwicklung und Optimierung einer Schlitzdüse für die Beschichtung von SIB-Elektroden (Anode- und Kathodenseite), welche anschließend physisch an der Fraunhofer FFB getestet werden kann.

AP 3: Arbeitspaket 3: Großformatige Zellfertigung (FFB)
Im Rahmen von Arbeitspaket 3 werden, unter Berücksichtigung des Anforderungskataloges und den Erkenntnissen aus der kleinformatigen Zellfertigung, folgende Maßnahmen durchgeführt:
1. Literaturrecherche, Materialauswahl und Beschaffung
2. Rezepturentwicklung und Laborvorversuche
3. Hochskalierung und Produktion beidseitig beschichteter Anoden und Kathoden
5. Fertigung großformatiger mehrlagiger Pouchzellen
6. EoL-Testing und elektrochemische Analyse

AP 4: Sicherheitstests (ICT)
Im AP4 wird die Sicherheit des in AP1 entwickelten sicheren Elektrolyten und den in AP2 daraus gefertigten kleinformatigen Pouchzellen (5 Ah) getestet und ihre Kenngrößen zur Auslegung der großformatigen Pouchzelle (AP3) und der Prototypenfertigung (AP5) bereitgestellt,
sowie die Sicherheit dieser Zellen geprüft. Die in AP1 durchgeführten Sicherheitsprüfungen auf Elektrolyt- und Laborzellenebene werden als Grundlage dienen. Die Testprotokolle werden mit allen Partnern abgestimmt, um einen sicheren Speicher auslegen zu können.

AP 5: Prototypenfertigung (IPT, Voltfang GmbH)
Das AP 5 erfüllt im Rahmen des Projektes zwei wesentliche Funktionen. Zum einen sollen die aktuellen Anforderungen nach den gängigen Normen und Regelwerken für stationäre Energiespeicher berücksichtigt werden. Dies ist entscheidend, um das Vorhaben einer sicheren
Speicherlösung auf Na-Ionen-Basis auch regulatorisch zu unterstützen. Darüber hinaus soll im AP 5 die Entwicklung eines stationären Speichers auf Basis der Pouchzellen der Fraunhofer FFB vorangetrieben werden. Mit diesem Ansatz sollen funktionsfähige Prototypen konstruiert und gebaut werden, die die Effizienz und Leistungsfähigkeit des Systems demonstrieren können.

AP 6: Projektmanagement (Fraunhofer FFB)
Das Projektmanagement ist ein über die gesamte Laufzeit bestehendes Arbeitspaket. Es beinhaltet administrative Aufgaben zur Koordination aller Projektaktivitäten, das Termincontrolling, das Berichtsmanagement, das Risikomanagement und das Finanzcontrolling.

Das geplante Projekt liefert wichtige Erkenntnisse über die Prozessierung neuartiger Materialien. Hierbei stehen nicht nur die auf Anode und Kathode verwendeten Aktivmaterialien, sondern auch die einzelnen Komponenten des Flüssigelektrolyten im Fokus. Durch die Verwendung
von Flammschutzadditiven, sowie Additive zur Stabilisierung der SEI und CEI, wird so ein neues Elektrolytsystem entwickelt, wodurch alle Beteiligten ihr Technologieverständnis erweitern. Die bei der Entwicklung und Produktion von den Natrium-Ionen-Batterien generierten Daten, sind zudem in diesem Ausmaß nicht verfügbar und immens wichtig für die zukünftige Weiterentwicklung.

Des Weiteren werden alle beteiligten Partner über die wichtigen Aspekte bei der Erstellung eines stationären Speichers informiert und sensibilisiert und können so zukünftig bei Aufgabenthemen bzgl. stationärer Speicher schneller und gezielter einarbeiten. Insofern fördert das Vorhaben die fachliche Expertise auf den Bereichen Natrium-Ionen-Batterie, Elektrolytentwicklung und stationären Speichern. Indirekt werden auch, nicht am Projekt beteiligte Personen, durch Vorträge/Vorstellungen der beteiligten Personen für die jeweiligen
Themengebiete sensibilisiert. Hierdurch werden die Partner des Konsortiums fachliche Ansprechpartner auch für mögliche zukünftige Projekte.