Ausgangssituation

Für die Bundesrepublik Deutschland ist Elektromobilität ein Thema von hoher strategischer Bedeutung. Im Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität vom August 2009 heißt es: „Um im internationalen Wettbewerb zu bestehen, muss Deutschland zum Leitmarkt Elektromobilität werden und die Führungsrolle von Wissenschaft sowie der Automobil- und Zulieferindustrie behaupten“. Ziel ist es, „die Forschung und Entwicklung, die Marktvorbereitung und die Markteinführung von batterie-elektrisch betriebenen Fahrzeugen in Deutschland voranzubringen.“

Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Elektromobilität - sowohl durch öffentlich geförderte Institutionen als auch durch Fahrzeughersteller und deren Zulieferer - haben verdeutlicht, dass besonders die Energiespeichertechnik eine entscheidende Rolle für die wirtschaftlich und technisch erfolgreiche Verbreitung elektrischer Fahrzeuge spielt. Aktuelle Hochleistungsenergiespeicher auf Lithium-Ionen-Basis sind hinsichtlich ihres Preises und Gewichts sowie ihrer Energiedichte und Zyklenfestigkeit nicht auf dem Niveau, das langfristig für den Erfolg von Elektrofahrzeugen angestrebt werden muss. Für die im Nationalen Entwicklungsplan kommunizierten Ziele ist es deshalb unbedingt notwendig, die im Zuge des Konjunkturpakets II angestoßenen Forschungstätigkeiten weiter auszubauen und aufbauend auf deren Ergebnissen zukunftsorientierte Forschung auf dem Gebiet der Energiespeichertechnik zu forcieren.

Ziel des Projektes

Ziel im Projekt ExZellTUM ist die Entwicklung neuer Energiespeichersysteme sowie innovativer Fertigungsprozesse, Formationsstrategien und Testtechnologien für deren Produktion. Für die integrierte Betrachtung von Produkttechnologie, Produktionssystemen und Qualitätssicherungs-maßnahmen sollen die Kompetenzen der Technischen Universität München in den Bereichen Elektrochemie, Elektrotechnik und Produktionstechnik interdisziplinär gebündelt und zur industrienahen Forschung mit einschlägigen Unternehmen vernetzt werden. Dazu wird im Projekt ExZellTUM ein WING-Zentrum (WING - Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft) bestehend aus drei Forschergruppen an der Technischen Universität München aufgebaut, siehe Abbildung 1. Beteiligt sind der Lehrstuhl für Technische Elektrochemie (TEC), unterstützt durch die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II), der Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichersysteme (EES) und das Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) mit der angegliederten Fraunhofer Projektgruppe für ressourceneffiziente Verarbeitungsmaschinen (RMV). Diese Forschergruppen bilden zusammen die komplette Prozesskette zur Fertigung elektrischer Hochleistungsenergiespeicher in einem Kompetenzzentrum ab und vernetzen damit die fachlichen Bereiche Elektrochemie, Elektrotechnik, Physik, Maschinenwesen und Produktionstechnik an einem Standort. Inhaltliche Ziele des WING-Zentrums sind die Optimierung bestehender Produkte und Fertigungsprozesse sowie die Entwicklung neuer Systeme für zukünftige elektrische Energiespeicher. Möglich wird dies durch einen geschlossenen Qualitätsregelkreis, der alle Produkt- und Fertigungsparameter in Bezug auf die Qualität und die Leistungsfähigkeit analysiert und optimiert.

 Abbildung 1: WING-Zentrum an der Technischen Universität München

Vorgehensweise

Die Forschergruppe des TEC entwickelt Aktivmaterialien für Elektrodenbeschichtungen, gestaltet und mischt Beschichtungstinten zur Prototypenfertigung und qualifiziert chemische Prozesse für die automatisierte Produktion (Teilprojekt 1). Die am FRM II verfügbaren Technologien ermöglichen dabei die in situ Zelldiagnostik und gewährleisten einen prozessübergreifenden Qualitätsregelkreis, der Rückschlüsse aus anwendungsnahen Forschungsergebnissen in die Grundlagenentwicklung zulässt (Teilprojekt 4). Der Lehrstuhl EES betrachtet Zelldesign und -entwicklung sowie Formations- und Teststrategien (Teilprojekt 2 und 4). Auch hier unterstützt der FRM II im Bereich der Zelldiagnostik. Das iwb befasst sich mit der Prozessautomatisierung und mit Produktionstechnologien für die Fertigungsprozesse Beschichten, Zellbildung und Versiegelung (Teilprojekt 3). Über alle Teilbereiche erfolgt eine enge Abstimmung der Forschergruppen, um die Quereinflüsse der Einzelthemen abbilden zu können. Die inhaltlichen Ziele aller Teilprojekte sind in zwei Forschungsphasen gegliedert. Phase I zur kurz- und mittelfristigen Optimierung bestehender Lithium-Ionen-Technologie, Phase II zur langfristigen Entwicklung und Qualifizierung alternativer elektrischer Energiespeichertechnologien auf Basis von Hochvoltspinellmaterialien und Lithium-Schwefel-Silicium-Systemen, siehe Abbildung 2. In begleitenden Industrieprojekten werden Ergebnisse zielgerichtet in die Anwendung transferiert.

Danksagung

Dieses Forschungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept „Exzellenz und technologische Umsetzung der Batterieforschung - (ExcellentBattery)“ (Förderkennzeichen 03X4633A) gefördert und vom Projektträger Jülich betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.