Drittmittelprojekte

4SBATT zielt darauf ab, eine Festkörperbatterie auf der Basis von Na anstelle von Li zu entwickeln, die die beste Lösung in Bezug auf vier Schlüsselparameter darstellt: Nachhaltigkeit, Energiedichte (spezifisch und volumetrisch), Bereitschaft zur Übernahme (d.h.Kompatibilität mit bestehenden Li-Ionen-Produktionslinien) und Sicherheit.

Um ein solch anspruchsvolles Ziel zu erreichen, wird 4SBATT an der Schnittstelle zwischen anorganischer Chemie, Materialwissenschaft und Technik arbeiten. Mein Team und ich werden einen kombinierten rechnerischen und  experimentellen Ansatz auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie und der Röntgenbeugung in-situ während der Synthese entwickeln, der es uns ermöglichen wird, große Mengen an temperaturabhängigen Multikomponenten-Phasendiagrammen für verschiedene Materialklassen zu untersuchen. Auf diese Weise werden wir neuartige anorganische Verbindungen auf Na-Basis für positive Elektroden, Festelektrolyte und negative Elektroden entwickeln und herstellen.

Anschließend werden wir die physikalischen Eigenschaften der Materialien und der Verbundelektroden charakterisieren, um ihre Leistungen zu verstehen, zu verbessern und zu entwickeln. Schließlich werden wir Festkörperbatterien auf der Grundlage von Na und nachhaltigen Elementen wie Fe, Mn und Si zusammenstellen, die aufgrund des nicht entflammbaren Festelektrolyten inhärent sicher sind und auf Zellebene Energiedichten von 300 Wh/kg und 750 Wh/l erreichen sollen.

Laufzeit: 2022 bis 2027

Ansprechperson: Prof. Dr. Matteo Bianchini (Lehrstuhl Anorganische Aktivmaterialien für elektrochemische Energiespeicher)

Förderung: European Research Council (ERC) Starting Grant 2021

Aufgrund ihrer hohen gravimetrischen und volumetrischen Energiespeicherdichte werden Festkörperbatterien mit einer metallischen Lithiumelektrode und einem keramischen Festelektrolyten als nächster Schritt der Batterieentwicklung angesehen. Das Projekt FB2-AdBatt zielt darauf ab, Batteriezellen mit stufenlos gradierten Mischkathoden durch die aerosolbasierte Kaltabscheidung herzustellen. Hierbei wird das Batteriedesign durch elektrochemische Messungen charakterisiert und modellbasiert optimiert, um kritische Batterieeigenschaften, wie z.B. die Stromtragfähigkeit und die Energiedichte zu maximieren. Die Weiterentwicklung des Beschichtungsverfahrens bietet die Grundlage für die ökonomische Evaluation hinsichtlich einer industriellen Umsetzung.

Laufzeit: 11/2021 bis 10/2024

Projektpartner:

• Universität Bayreuth (Lehrstuhl Funktionsmaterialien, Lehrstuhl Elektrische Energiesysteme)
• Universität des Saarlands (Naturwissenschaftlich-technische Fakultät)
• Karlsruher Institut für Technologie (Institut für Angewandte Materialien - Werkstoff und Biomechanik)

Ansprechperson: Prof. Dr.-Ing. Ralf Moos (Lehrstuhl Funktionsmaterialien)

Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) - Kompetenzcluster für Festkörperbatterien (FestBatt)

Webseite: AdBatt - FestBatt

Im Projekt sind drei Qualifizierungsschwerpunkte in Form von Kurzzeitmodulen (Modul-Batt), arbeitsprozess-orientierte Maßnahmen (APO-Batt) und Angebote für Ausbilder (Coach-Batt) vorgesehen. Die Qualifikationsangebote sollen einen hohen Praxisbezug aufweisen und werden von Entwicklungstandems aus einem fachlichen Partner (Hochschule oder Forschungseinrichtung) und einem didaktischen Partner (Bildungsträger) in iterativen Entwicklungsprozessen und unter starker Einbeziehung von Vertretern der Zielgruppen entwickelt.

Laufzeit: 05/2023 bis 04/2028

Projektpartner:

• Universität Bayreuth (Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik)
• Hochschule für Angewandte Wissenschaften Landshut
• Technische Universität München (Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften)
• RWTH Aachen University (Lehrstuhl und Institut für Abreitswissenschaft)
• Technische Hochschule Würzburg-Schweinfurt (Technologietransferzentrum Elektromobilität)
• Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC)
• Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik (IGCV)
• Bildungswerk der Bayerischen Wirtschaft gGmbH
• SKZ - KFE gGmbH
• Bayern Innovativ

Ansprechperson: Gregor Ohnemüller (Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik)

Förderung: Bundesministrerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

Webseite: Batterie-Bildungsnetzwerk Bayern

Das BALU-Projekt entwickelt eine neuartige Aluminium-Ionen-Batterie (AIB), die im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien Vorteile bezüglich Nachhaltigkeit, Kosten und Leistung bieten soll. Im Labor hat die Aluminium-Graphit-Dual-Ionen-Batterie (AGDIB) bereits vielversprechende Ergebnisse gezeigt, mit hoher C-Raten-Fähigkeit und langen Lebenszyklen. Ziel des Projektes ist es, die Zellchemie vom Entwicklungsstand aus dem Labor mit TRL3 in anwendungsrelevante Zellkonzepte zu übertragen. Dazu sind Forschungsaktivitäten hinsichtlich der Entwicklung und Evaluierung geeigneter Zellkonzepte notwendig, die einerseits materialspezifische Fragestellungen lösen und andererseits die Fertigungsmöglichkeiten für derartige Batteriezellen prüfen. Ziel des Vorhabens ist es, TRL6 für die AGDIB-Zelle zu erreichen, und damit eine Pilotfertigung absehbar konzipieren zu können. Dabei müssen gleichzeitig Fragen der Recyclingfähigkeit im Sinne der Circular Economy mit betrachtet werden und Anforderungen aus potentiellen Anwendungen auf die Zellebene übertragen werden.
Der Lehrstuhl für Systemtechnik elektrischer Energiespeicher bringt hier seine Expertise im Bereich Systems Engineering ein. Einerseits soll der Entwicklungsprozess der Zellen durch die Anwendung von Anforderungen auf Batterieebene unterstützt werden und gleichzeitig sollen die Auswirkungen von Innovationen auf Zellebene auf die Performance der Batterie abgebildet werden.

Laufzeit: 11/2023 bis 10/2026

Projektpartner:

• Universität Bayreuth (Lehrstuhl Systemtechnik elektrischer Energiespeicher, Lehrstuhl Elektronik elektrischer Energiespeicher)
• Technische Universität Braunschweig (Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik)
• Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB)
• Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS)
• Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST)
• Sika Werke GmbH
• Alzner Automotive GmbH - Alzner Battery

Ansprechpersonen: Prof. Dr.-Ing. Jan Philipp Schmidt, Tobias Tietze (Lehrstuhl Systemtechnik elektrischer Energiespeicher)

Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) - Batterie2020Transfer

Circularity³ zielt darauf ab, Empfehlungen für eine erfolgreiche Umsetzung von umweltfreundlichen Maßnahmen der Kreislaufwirtschaft zu geben. Nach einer gründlichen Konzeptualisierung wird die Analyse der technologischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen/politischen Wechselwirkungen innerhalb der Kreislaufwirtschaft zu einem besseren Verständnis der sozioökonomischen Voraussetzungen und einer Quantifizierung der potenziellen Umweltvorteile führen. Dies wird erreicht, indem die Komplexität des Kreislaufwirtschaftskonzepts in vergleichbare, aber komplementäre Fallstudien entlang der Dimensionen Wertschöpfungsketten/Umsetzungslogik von CE-Maßnahmen, wirtschaftliche Aggregationsebene und Länder heruntergebrochen wird.

Die Elektronik- und die Elektrofahrzeugbatterien dienen als eine etablierte und eine relativ neue Wertschöpfungskette, die exemplarisch untersucht werden. Der aktuelle Stand der Kreislaufwirtschaft wird für diese Wertschöpfungsketten auf Innovations-/Mikro-, Sektor-/Meso- und gesamtwirtschaftlicher/Makro-Ebene für die beteiligten Länder Deutschland, Thailand, Türkei, Chinesisch-Taipeh und Japan analysiert. Dieser Überblick ermöglicht die Identifizierung von Schwerpunktbereichen.

Ein umfangreiches Instrumentarium wissenschaftlicher Methoden wird von den Partnern eingesetzt, um Fallstudien durchzuführen und ein detailliertes Verständnis der technologischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen/politischen Wechselwirkungen innerhalb dieser Schwerpunktbereiche zu gewinnen. Ein Vergleich ähnlicher Fallstudien (a) in verschiedenen Ländern, (b) auf verschiedenen Ebenen und (c) mit verschiedenen Anwendungsfällen wird zu neuen und systematischen Erkenntnissen für die spezifischen Schwerpunktbereiche führen.

Nach der Konsolidierung der Ergebnisse und der Bewertung auf Systemebene werden allgemeingültige Empfehlungen gegeben. Um die Nützlichkeit und Anwendbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, wird der Forschungsprozess von einem kontinuierlichen Austausch mit den relevanten Stakeholdern begleitet, der die beiden Anwendungsfälle, die drei wirtschaftlichen Ebenen und die teilnehmenden Länder umfasst. Darüber hinaus erhalten die Stakeholder die Ergebnisse in Form von praktischen Empfehlungen, wie sie die Kreislaufwirtschaft in ihrem spezifischen Handlungsfeld vorantreiben können, sowie Methoden zur Messung des Fortschritts und zur Quantifizierung der Umweltvorteile.

Laufzeit: 06/2023 bis 05/2026

Projektpartner:

• Universität Bayreuth (Lehrstuhl Ökologische Ressourcentechnologie)
• Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI)
• National Institute of Advanced Industrial Science and Technonology, Tsukuba (Japan)
• Chulalongkorn University, Bangkok (Thailand)
• National Taiwan University, Taipeh (Taiwan)
• Yasar University, Bornova/ Izmir (Türkei)

Ansprechperson: Prof. Dr. Christoph Helbig (Lehrstuhl Ökologische Ressourcentechnologie)

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Webseite: Circularity³

In diesem Projekt wird im Bereich des Batterietestens eine neuartige Infrastruktur aufgebaut. Diese integriert systematisch rechnergestützte Methoden im Bereich der experimentellen Charakterisierung von Batterien. Dazu gehören die mathematische Optimierung, Methoden der künstlichen Intelligenz, Unsicherheitsanalyse, statistische Versuchsplanung sowie modellprädiktive Regelung. Dabei werden durch interdisziplinäres und vernetztes Arbeiten unter anderem Entwicklungsprozesse beschleunigt und innovative Lösungen gefunden.

Laufzeit: 09/2022 bis 08/2025

Projektpartner:

• Universität Bayreuth (Juniorprofessur für Methoden des Batteriemanagements)
  
• Forschungszentrum Jülich GmbH

Ansprechperson: Prof. Dr.-Ing. Fridolin Röder (Juniorprofessur für Methoden des Batteriemanagements)

Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Im Rahmen des Projekts werden polymere und keramische Kalium-Festkörperelektrolyte und aktive Elektrodenmaterialien als Grundlage für künftige Batteriezellensysteme untersucht.

Ziel des Forschungsverbunds sind die Untersuchung und Evaluierung von neuartigen Kalium-leitenden polymeren und sulfidischen Festelektrolyten, Kalium-basierten Aktivmaterialien und der Kalium-Feststoffbatterie selbst. Durch systematische Untersuchungen sollen die relevanten Leistungsdaten ermittelt, sowie die Basis für eine kompetente Beurteilung möglicher Anwendungsbereiche geschaffen werden.

Laufzeit: 10/2023 bis 09/2026

Projektpartner:

• Universität Bayreuth (Lehrstuhl Anorganische Aktivmaterialien für elektrochemische Energiespeicher)
  
• Universität Münster, Münster Electrochemical Energy Technology (MEET)
• Helmholtz-Institut Münster
• Humboldt-Universität zu Berlin
• Justus-Liebig-Universität Gießen
• Wolfram Chemie GmbH

Ansprechperson: Prof. Dr. Matteo Bianchini (Lehrstuhl Anorganische Aktivmaterialien für elektrochemische Energiespeicher)

Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) - Batterie2020Transfer

Webseite: Forschungsportal der Universität Münster; Helmholtz-Institut Münster

Das Projekt untersucht den Transport von Elektronen und Ionen in Batterieelektrodenmaterialien in Abhängigkeit von deren Struktur und Korngröße. Wir werden Materialien mit unterschiedlicher Dimensionalität der Perkolationskanäle und Partikelgrößen synthetisieren, um die Auswirkungen des Confinements auf beide Ladungsträgertypen durch die Untersuchung ihrer Mobilitäten aufzudecken. Mit Hilfe von First-Principles-Berechnungen und maschinellem Lernen werden wir ein Multiskalenmodell für den Transport beider Ladungsträger in diesen Strukturen erstellen. Dieser Ansatz wird Möglichkeiten zur Verknüpfung oder Entkopplung des Elektronen- und Ionentransports aufzeigen und damit einen Hinweis auf künftige rationale Designkriterien geben.

Das Projekt ist Teil des SFB 1585: Structured functional materials for multiple transport in nanoscale confinements (MultiTrans).

Laufzeit: 2023 bis 2027

Projektpartner:

• Lehrstuhl Theoretische Physik VII (Prof. Dr. Harald Oberhofer)
  
• Lehrstuhl Anorganische Aktivmaterialien für elektrochemische Speicher (Prof. Dr. Matteo Bianchini)
  

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Webseite: SFB MultiTrans

In diesem Projekt werden Syntheserouten und Wege der Selbstassemblierung von mesoporösen Polymer-Cubosomen mit funktionellen Bindungsstellen in den bikontinuierlichen Wänden etabliert, zur direkten Umwandlung in mesoporösen Kohlenstoff, Übergangsmetalle und Metalloxide (oder Kombinationen davon). Die hergestellten Partikel werden hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, Morphologie und Qualität der Nanostruktur analysiert. Die Materialien werden in der Elektro- und Photokatalyse sowie Elektroden für Metallionenbatterien getestet.

Laufzeit: 11/2023 bis 10/2026

Ansprechperson: Prof. Dr. André Gröschel (Lehrstuhl Polymermaterialien für elektrochemische Energiespeicher)

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Aktuelle Lithium-Ionen-Batteriesysteme werden speziell hinsichtlich Leistung, Energiedichte und Kosten optimiert. Aspekte eines kreislauf- bzw. recyclinggerechten Designs von Zellen, Modulen und Systemen, insbesondere hinsichtlich einer funktionserhaltenden Refabrikation, werden bislang nicht betrachtet.
Angesichts stark zunehmender batteriesystembedingter Stoffströme durch die Anwendung im wachsenden Markt der Elektromobilität zielt das Projekt auf die systemische Analyse und Ableitung von Gestaltungsrichtlinien für die recyclinggerechte Konstruktion, um geschlossene, effiziente und rohstoffverlustarme Batteriesystemkreisläufe zu ermöglichen.

Laufzeit: 12/2020 bis 02/2024

Projektpartner:

• Universität Bayreuth (Lehrstuhl Elektrische Energiesysteme, Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik)
  
• Technische Universität Braunschweig
• Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS)

Ansprechpersonen: Gregor Ohnemüller (Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik, federführend), Tom Rüther (Lehrstuhl Elektrische Energiesysteme)

Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) - Kompetenzcluster Recycling & Grüne Batterie (greenBatt)

Webseite: ReDesign - greenBatt

Das Forschungsgroßgerät „Thermo-elektrischer Batterieprüfstand“ besteht aus mehreren Zellund Modultestkanälen mit thermischer Konditionierung in dynamischen Temperaturkammern sowie umfangreichen Kommunikations- und Messkanälen. Die plattformübergreifende Software ermöglicht kombinierte elektrothermische Experimente ggf. gekoppelt auf Zell- und Modulebene und gibt die Möglichkeit, auf Ereignisse in allen Subsystemen während der Programmlaufzeit zu reagieren (adaptiver Testablauf). Die Einbindung von beliebiger CAN-Bus-fähiger Hardware ist
möglich. Auf dieser Basis wurde bspw. das open-source BMS-System foxBMS in die Anlage integriert. Zur Erhöhung der Sicherheit können Tests in sauerstoffreduzierter Atmosphäre durchgeführt werden.

Laufzeit: seit 10/2021

Ansprechperson: Prof. Dr. Ing. Michael Danzer

Föderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - 448337059

Webseite: ees.uni-bayreuth.de

Wesentliches Ziel des Projekts ist es, in Wunsiedel eine der größten deutschen Power-to-Gas (PtG)-Anlagen zu verwirklichen und durch das Zentrum für Energietechnik der Universität Bayreuth zu einem Reallabor Energiezukunft werden zu lassen. Das PtG-Konzept ist ein wichtiger Baustein in der Sektorkopplung. Dabei werden Stromüberschüsse der erneuerbaren Energiequellen Wind und Sonne genutzt, um Wasserstoff mittels Elektrolyse zu erzeugen. Dies macht eine stoffliche Speicherung realisierbar. Anschließend kann der Wasserstoff in Mobilitäts- oder Industrieanwendungen zeitversetzt zum Einsatz kommen. Für das beantragte Projekt bietet der Standort Wunsiedel durch die bestehende Infrastruktur des Energieparks und die damit verbundenen Synergie- und Anwendungspotentiale einzigartige Voraussetzungen.

Die Arbeiten des ZET zielen auf eine Betriebsoptimierung von PtG-Anlagen unter Berücksichtigung der Verschaltungs- und Kombinationsmöglichkeiten mit anderen Energieerzeugungseinheiten ab. Dies wird exemplarisch anhand des Standorts Wunsiedel wissenschaftlich untersucht. Des Weiteren werden Konzepte wie die Erzeugung synthetischer Kraftstoffe (sogg. Efuels) für eine nachhaltige und wirtschaftlich sinnvolle Erweiterung der Anlage erforscht. Die Forschungsarbeiten werden durch vier wissenschaftliche Mitarbeiter des ZET im Reallabor am Standort Wunsiedel durchgeführt. Die Doktoranden werden durch die ZET-Lehrstühle Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT), Chemische Verfahrenstechnik (CVT), Elektrische Energiesysteme (EES) und Bioprozesstechnik (BPT) betreut.

Laufzeit: 01/2021 bis 12/2024

Projektpartner:

• Zentrum für Energietechnik
• WUN H2 GmbH
  

Ansprechpersonen:

• Prof. Dr.-Ing. Dieter Brüggemann (Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse)
  
• Prof. Dr.-Ing. Michael Danzer (Lehrstuhl Elektrische Energiesysteme)
  

Förderung: Oberfrankenstiftung

Webseite: Zentrum für Energietechnik