Forschung // Energiespeicher – Batterien
SmartPro – Key to Smart Products!
Um Energie, die zum Beispiel aus regenerativen Quellen stammt, zur späteren Nutzung speichern zu können, benötigt man Energiespeicher-Technologien, beispielsweise effiziente Batterien.
Durch die gestiegenen Anforderungen an die Leistungsfähigkeit mobiler elektronischer Geräte und elektrifizierter Fahrzeuge hinsichtlich Laufzeit und Reichweite ist der aktuelle Bedarf an wieder aufladbaren Batterien mit erhöhter Energiedichte zusätzlich gestiegen und die Forschung von besonders hoher wirtschaftlicher wie gesellschaftlicher Relevanz.
In den Impulsprojekten LiMaProMet (2017–2021) und Smart-BAT (2021–2025) wird daran gearbeitet, die Energiedichte und Qualität von Batterien zu verbessern sowie ihre Kosten zu senken.
Smart-BAT
// Projektlaufzeit: 01.03.2021 bis 28.02.2025
Projektleitung
Prof. Dr. Timo Sörgel
Zentrum Elektrochemische Oberflächentechnik
Tel.: +49 (0) 7361 576-2468
timo.soergel@hs-aalen.de
Projektpartner
Hochschule Aalen
- Dr. Timo Bernthaler, Institut für Materialforschung
- Prof. Dr. Gerhard Schneider, Institut für Materialforschung
- Prof. Dr. Volker Knoblauch, Institut für Materialforschung Aalen
Unternehmen
- Carl Zeiss IMT
- Carl Zeiss Microscopy GmbH
- IoLiTec
- Kessler & Co. GmbH & Co. KG
- VARTA Microbattery GmbH
- Volkswagen AG
- Wieland-Werke AG
Weitere Forschungsinstitutionen
- Forschungsinstitut Edelmetalle und Metallchemie (fem)
- Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – Institut für Angewandte Materialien Werkstoff- und Biomechanik (IAM-WBM)
Transferakteure
e-mobil BW GmbH
Neue Materialkonzepte, innovative Prozesstechnologien und Bewertungstools für zukünftige Lithium-basierte Batteriesysteme (Smart-BAT)
Energiespeicher − unter diesen insbesondere wiederaufladbare Batterien (Akkumulatoren) − sind für die Energiewende unabdingbar. Dabei kommen sie nicht nur in der Elektromobilität zum Einsatz, sondern spielen auch eine wichtige Rolle im Konsumerbereich und in der Medizintechnik. Dadurch steigen auch die Anforderungen an solche Batterien, die immer mehr leisten, höhere Energiedichte und Qualität sowie Lebensdauer besitzen und idealerweise möglichst günstig sein sollen. Mit der Erfüllung dieser Anforderungen beschäftigt sich das Impulsprojekt Smart-BAT in drei Teilprojekten.
Zum einen wird das Ziel verfolgt, die Energiedichte von Feststoffbatterien zu erhöhen. Dazu werden Zusammenhänge zwischen Mikrostruktur und Eigenschaften betrachtet und innovative Fertigungsprozesse erarbeitet.
Parallel wird die Erforschung neuer Elektrodenstrukturen und Fertigungsprozesse vorangetrieben, um smarte Batteriekonzepte zu entwickeln. Hier liegt der Fokus auf dreidimensionalen Stromsammlern aus hochporösem Aluminiumschaum, die mittels galvanischer Abscheidung hergestellt werden.
Außerdem werden intelligente Methoden zur Qualitätssicherung entwickelt, die auf Machine Learning basieren. Denn zur Digitalisierung industrieller Prozesse sind Werkzeuge für die Bewertung der Qualität entscheidend.
Smarte Materialsysteme, intelligente Fertigungsprozesse und Qualitätsmethoden für Lithium-basierte Batterien (LiMaProMet)
Der Bedarf an wieder aufladbaren Batterien mit erhöhter Energiedichte, Sicherheit und Lebensdauer ist aufgrund der gestiegenen Anforderungen an mobile Anwendungen sehr hoch. Im Fokus stehen Reichweite, Laufzeit, Ladedauer und Sicherheit für Elektromobilität und Portable Electronics. Die in der Energiewende angestrebte vermehrte Nutzung regenerativer Energien erfordert kostengünstige Energiespeicher mit langer Lebensdauer.
Smarte Batteriematerialien, Fertigungsprozesse und Qualitätsbewertungsmethoden sind Schlüssel für eine ressourceneffiziente Mobilität und Energieversorgung. Daher zielte das Impulsprojekt LiMaProMet auf die Entwicklung intelligenter Lithium-basierter Speichertechnologien bis zur Marktreife.
LiMaProMet
// Projektlaufzeit: 01.03.2017 bis 31.08.2021
Projektleitung
Prof. Dr. Timo Sörgel
Zentrum Elektrochemische Oberflächentechnik
Tel.: +49 (0) 7361 576-2468
timo.soergel@hs-aalen.de
Projektpartner
Hochschule Aalen
- Dr. Timo Bernthaler, Institut für Materialforschung
- Prof. Dr. Gerhard Schneider, Institut für Materialforschung
- Prof. Dr. Volker Knoblauch, Institut für Materialforschung Aalen
Unternehmen
- Carl Zeiss Microscopy GmbH
- CCT GmbH
- Kessler & Co. GmbH & Co. KG
- Outlast Europe GmbH
- VARTA Microbattery GmbH
Weitere Forschungsinstitutionen
- Forschungsinstitut Edelmetalle und Metallchemie (fem)
- Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – Institut für Angewandte Materialien Werkstoff- und Biomechanik (IAM-WBM)
- Universität Ulm – Institut für Elektrochemie
Transferakteure
- e-mobil BW GmbH
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Explorative Projekte
Um die Forschung an effizienteren Batterien noch zu vertiefen, wurde in explorativen Projekten zum Beispiel untersucht, wie Fertigungsprozesse mit Hilfe Künstlicher Intelligenz überwacht und verbessert werden können.
PreMo-LiB // Künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen als Wegbereiter zur Verbesserung der Prozessqualität in der Batterie-Massenproduktion
01.03.2019 – 31.08.2020
Hochqualitative Lithium-Ionen Batterien mit langer Lebensdauer werden zukünftig in vielen Industrieprodukten benötigt, z. B. in E-Autos, Smartphones oder Elektrowerkzeugen. Im Projekt PreMo-LiB hat die Hochschule Aalen in Kooperation mit der Varta Microbattery GmbH innovative produktionsbegleitende Verfahren zur Lebensdauerprognose und -verbesserung mittels moderner selbstlernender Softwarealgorithmen untersucht (Maschinelles Lernen, Künstliche Intelligenz).
Häufig zeigt sich erst im späteren Einsatz, ob eine Lithium-Ionen Batterie den Kundenanforderungen genügt. Denn eine produktionsbegleitende Qualitätsprognose ist aufgrund der komplexen physikalischen Wirkzusammenhänge innerhalb der Batterie nur sehr eingeschränkt möglich und bisher nicht tauglich für die Massenproduktion.
Im Projekt PreMo-LiB wurden daher maschinelle Lernverfahren eingesetzt, mit denen kostengünstig und praktikabel die Qualität und Lebensdauer der Batterie produktionsbegleitend prognostiziert werden können. Das qualitätssichernde Verfahren arbeitet zerstörungsfrei und ist für die Massenproduktion hochqualitativer Lithium-Ionen Batterien skalierbar.
- Projektleitung
Prof. Dr. Ricardo Büttner, Wirtschaftsinformatik
- Projektpartner
VARTA Microbattery GmbH
DiMa // Digitalisierungspotenziale der Materialforschung in SmartPro
01.10.2019 – 30.09.2020
Das Explorative Projekt DiMa wurde in vier Teilprojekten durchgeführt, deren Anwendungsschwerpunkt sich jeweils an einem Impulsprojekt orientierte. Dabei wurde die Methodenkompetenz von Machine Learning (ML) – Experten mit der Expertise in den weiteren Forschungsbereichen von SmartPro zusammengeführt. So konnten in interdisziplinären Ansätzen neue Forschungsinhalte zur passgenauen Weiterentwicklung von ML-Methoden für SmartPro generiert werden. Die Teilprojekte waren jeweils einem Impulsprojekt zugeordnet und dienten als Ausgangpunkt für die Entwicklung des querschnittlich angelegten Impulsprojekts BEYOND mit dem Schwerpunkt Machine Learning.
DigitEL (zugeordnet dem Impulsprojekt LiMaProMet) beschäftigte sich mit der Nutzung von Machine Learning bei der Analyse von Mikrostrukturen von Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Akkumulatoren bezüglich der Vorhersage von Leistungsparametern. Ein besonderer Schwerpunkt lag auf der Prognose der Stromratenfähigkeit.
- Projektleitung
Prof. Dr. Ricardo Büttner, Wirtschaftsinformatik
- Projektpartner
Prof. Dr.-Ing. Volker Knoblauch, Institut für Materialforschung Aalen
SmartCycle // Smarte Recyclinglösungen für Zukunftstechnologien
01.05.2023 – 31.07.2025
Recycling und Kreislaufwirtschaft der Materialien in den drei in SmartPro erforschten Anwendungsfeldern (Energiewandler, Energiespeicher und Leichtbau) sind für ein nachhaltiges Ressourcenmanagement unerlässlich. Im Fokus stehen Magnet- und Batterie- sowie Leichtbaumaterialien. Durch die Einführung effizienter Recyclingprozesse und die Anwendung der Prinzipien der Kreislaufwirtschaft können wertvolle Materialien und Rohstoffe zurückgewonnen werden. Dadurch werden die Notwendigkeit der Rohstoffgewinnung reduziert und die Umweltbelastung minimiert. Das Ziel des explorativen Projekts SmartCycle ist, neue Recyclingstrategien zu erforschen, Methoden weiterzuentwickeln und die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft in den drei SmartPro-Anwendungsfeldern anzuwenden. Dieses Projekt wird dazu beitragen, neue Akzente in der Recyclinglandschaft zu setzen und somit Ressourcen zu schonen, die Energieeffizienz zu steigern, und einen nachhaltigeren und umweltbewussteren Ansatz bei der Herstellung und Verwendung von Magneten, Batterien und Leichtbaukonstruktionen unterstützen.
Um diese Ziele zu erreichen, ist SmartCycle in fünf Teilprojekte gegliedert, die sich an den drei SmartPro-Anwendungsfeldern (Energiewandler, Energiespeicher und Leichtbau) sowie der Querschnittsmethode Machine Learning orientieren.
- Projektleitung
Prof. Dr. Iman Taha, Institute for Sustainable Polymers and Composites
Ziel des Teilprojekts RecyBAT ist die Entwicklung effektiver Methoden zur Wiederverwertung von Produktionsabfällen in der Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien, die für die Schaffung einer nachhaltigen und ressourceneffizienten Batterieindustrie entscheidend sind. Die während des Herstellungsprozesses anfallenden Abfälle werden zunächst identifiziert, kategorisiert und hinsichtlich ihres Recyclingpotenzials bewertet. Anschließend werden Methoden zur Rückführung der Abfälle in den Produktionskreislauf evaluiert. Abschließend werden erfolgreiche Rückgewinnungskonzepte hinsichtlich des Upscalingpotenzials beschrieben und beurteilt.
- Teilprojektleitung
Prof. Dr. Volker Knoblauch, Institut für Materialforschung Aalen
Das Teilprojekt Recy200 befasst sich mit dem Recycling von Batterieelektroden, die durch Kompositgalvanoformung hergestellt wurden, bei der Dispersionsabscheidung und Foliengalvanoformung kombiniert werden. Herkömmliche Recyclingverfahren für Elektroden sind oft mit komplexen und energieintensiven Prozessen verbunden. In Recy200 wird jedoch ein hocheffizienter elektrochemischer Prozess für das Recycling eingesetzt. Dieser Prozess ermöglicht nicht nur das Recycling der Elektroden, sondern auch die Rückgewinnung der Aktivmaterialien, die in Hochleistungszellen eingesetzt werden. Der zugrundeliegende sogenannte 200%-Prozess wird in Bezug auf die Auflösung der Matrix, die Abscheidung und die Rückgewinnung der Aktivmaterialien bewertet.
- Teilprojektleitung
Prof. Dr. Timo Sörgel, Zentrum Elektrochemische Oberflächentechnik
Verwandte Projekte
Die Arbeitsgruppen des SmartPro-Netzwerks an der Hochschule Aalen führen neben den SmartPro-Projekten zahlreiche weitere Forschungsvorhaben durch. Darin werden oft verwandte Fragestellungen verfolgt, die thematischen oder methodischen Bezug zu SmartPro aufweisen.
METHODEN Exkurs | Batterieoptimierung treibt Energiewende voran // Kompositgalvanoformung
#forschungsstAArk
Smartphone, Elektroauto, Windkraftanlage: Es gibt kaum einen Lebensbereich, in dem wir keine Lithium-Ionen-Akkus nutzen. Die Energiespeicher sind vielseitig, verfügen über eine hohe Energiedichte, eine geringe Selbstentladung und eine langlebige Leistung. Könnte man sie in einigen Aspekten noch verbessern – der Nutzen wäre enorm. So soll zum Beispiel die Elektromobilität in Deutschland ausgebaut werden. Bis 2030 will die Bundesregierung mindestens sieben bis zehn Millionen Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen fahren sehen.
Die Gruppe um Professor Timo Sörgel vom Zentrum Elektrochemische Oberflächentechnik (ZEO) an der Hochschule Aalen forscht an Verfahren, die eine Herstellung verbesserter Batteriekomponenten ermöglichen könnte, die kostengünstiger, umweltfreundlicher und sicherer sind.
Professor Sörgel arbeitet seit rund 13 Jahren an galvanotechnischen Verfahren, bei denen sich mittels elektrischen Stroms Metalle auf einer Oberfläche niederschlagen. Ziel ist, Elektroden für Lithium-Akkumulatoren zu optimieren: „Das Verfahren, das wir entwickelt haben, nennt sich Kompositgalvanoformung. Wir kombinieren dabei Dispersionsabscheidung und Foliengalvanoformung und stellen so Kathoden für Lithium-Schwefel- und Lithium-Ionen-Batterien her.“ Wie das funktioniert, und was daran so faszinierend ist, erläutern Nachwuchsforschende im Beitrag des ZEO zur Online-Kampagne #forschungsstAArk.
Foto: Studentin Suvetha Logeswaran gefiel die „Hands-on-Mentalität“ bei der Forschung am Zentrum Elektrochemische Oberflächentechnik der Hochschule Aalen besonders gut. © Hochschule Aalen | Foto: Volker Miosga
Ansprechperson
Zentrum
Zentrum Elektrochemisch Oberflächentechnik (ZEO)
Patent
Sörgel, S. Meinhard, Ş. Sörgel, Film Composite Material, EP 3114721 B1, 2015
Wissenschaftliche Veröffentlichungen
Scherzl, M. Kaupp, T. Sörgel, Galvanoformung von Aluminiumfolien, Galvanotechnik 2024, 2, 156-162 (Teil I) und 3, 311-317 (Teil II)
Scherzl, M. Kaupp, W. El Mofid, T. Sörgel, Electroforming as a Novel One-Step Manufacturing Method of Structured Aluminum Foil Current Collectors for Lithium-Ion Batteries, Batteries 2023, 9, 422. 10.3390/batteries9080422
El Mofid, T. Sörgel, Sulfur Loading as a Manufacturing Key Factor of Additive-Free Cathodes for Lithium-Sulfur Batteries Prepared by Composite Electroforming, Energies 2023, 16, 1134. 10.3390/en16031134
Meinhard, O. Kesten, K. Jäger, I. Hägele, T. Sörgel, Neue Einblicke in die Kompositgalvanoformung – Galvanotechnik als Schlüsseltechnologie für leistungsstarke Akkumulatoren, Galvanotechnik 2020, 8, 1164-1169.
Jäger, S. Meinhard, O. Kesten, I. Hägele, T. Sörgel, Kompositgalvanoformung – Von der Idee zur Pilotanlage, WoMag 2020, 4, 25-26. LINK
Sörgel, ZVO report 2019, 1, 46. LINK
Erhardt, S. Meinhard, Ş. Sörgel, T. Sörgel, Herstellung einer innovativen Kathode für Lithium-Schwefel-Akkumulatoren mittels galvanotechnischer Verfahren, Galvanotechnik 2015, 106, 2396-2402.
Erhardt, Ş. Sörgel, S. Meinhard, T. Sörgel, „Galvanoformung neuartiger, hybrider Kupfer-Schwefel-Kathoden für Lithium/Schwefel-Zellen“, ZVO-Report 2015, 5, 32-36. LINK
Erhardt, Ș. Sörgel, S. Meinhard, T. Sörgel, Einsatz der Galvanotechnik für ein neues Konzept zum Aufbau leistungsstarker Schwefel-Kathoden für die nächste Generation an Lithium-Batterien, Jahrbuch Oberflächentechnik 2015, Band 71, 198-209, Leuze-Verlag, Bad Saulgau.
Erhardt, Ș. Sörgel, S. Meinhard, T. Sörgel, Proof of concept for a novel, binder-free and conducting carbon-free sulfur battery cathode: Composite electroformation of copper foil with incorporated polythiophene wrapped sulfur particles, J. Power Sources 2015, 296, 70-77. 10.1016/j.jpowsour.2015.07.037
SmartPro // FH-Impuls:
Starke Fachhochschulen – Impuls für die Region
Die Hochschule Aalen hat sich mit SmartPro bundesweit in der Spitzengruppe der Fachhochschulen positioniert. Sie wird als eine von zehn Hochschulen in der Fördermaßnahme FH-Impuls des Bundesministeriums für Bildung und Forschung mit rund 10 Millionen Euro für gut acht Jahre bis 2025 gefördert. Kernziele sind der nachhaltige Ausbau des regionalen Transfer- und Kooperationsnetzwerks, die Stärkung der Forschung und Innovationskraft. SmartPro leistet Beiträge zu gesellschaftlichen Herausforderungen wie Klimaschutz, Mobilität und Digitalisierung.
