Das Projekt "Flywheel als Energiespeicher in Hybrid- und Elektrofahrzeugen für den Individualverkehr" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Graz, Institut für Elektrische Messtechnik und Messsignalverarbeitung durchgeführt. Aktuell verursacht der Straßenverkehr etwa 20Prozent der gesamten CO2 Emissionen der Europäischen Union, rund zwei Drittel stammen dabei von PKWs. Gerade in diesem Bereich ist aufgrund des geringen Gesamtwirkungsgrades konventioneller PKWs (etwa 18Prozent für den Neuen Europäischen Fahrzyklus) eine deutliche Reduktion der Emissionen möglich. Ansätze dafür sind eine Hybridisierung von Fahrzeugen, womit theoretisch der optimale Wirkungsgrad aktueller Verbrennungskraftmaschinen erreicht werden kann (etwa 55Prozent Emissionsreduktion), und der Einsatz von Elektrofahrzeugen, die im Betrieb vollkommen emissionsfrei sind. Verglichen mit konventionellen Fahrzeugen sind aktuell verfügbare Hybrid- und Elektroautos jedoch nicht konkurrenzfähig, primär da die verwendeten elektrochemischen Energiespeicher (Batterie, Supercap) die Anforderungen in Bezug auf Leistungs- und Energiedichte, Wirkungsgrad, Lebensdauer und Preis nicht erfüllen. Beispielsweise sind ca. 75 kg an Lithium-Ionen Zellen notwendig, um dieselbe Energie zur Verfügung zu stellen, die in einem Liter Dieselkraftstoff enthalten ist. Trotz intensiver Forschungsaktivitäten ist es nach aktuellem Wissensstand nicht möglich, eine Batterie zu entwickeln, die alle gestellten Aufgaben erfüllen kann. Erst durch die Aufteilung in einen Energie- und einen Leistungsspeicher ist es möglich, ein konkurrenzfähiges Elektrofahrzeug zu entwickeln. Der Energiespeicher ist hierbei eine auf möglichst hohe Energiedichte optimierte Batterie, für den Leistungsspeicher bietet ein mechanisches Schwungrad die besten Eigenschaften. Bei einem Hybridfahrzeug wird nur dieser Leistungsspeicher benötigt, da der Großteil der Antriebsenergie entweder durch eine Verbrennungskraftmaschine oder einer Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird. Auch aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht sind Schwungradspeicher zielführend, da sie ohne hohen Aufwand recyclebar sind. Zusätzlich enthalten sie lediglich Werkstoffe, die auch für eine Massenfertigung ausreichend verfügbar sind. Im Rahmen des Projekts werden Realisierungskonzepte von Schlüsselkomponenten von Schwungradspeichern für den Einsatz im Individualverkehr erstellt. Geprüft werden speziell die Möglichkeiten der Lagerung zur Erfüllung der Lebensdauer unter den geforderten Randbedingungen, sowie die technischen Rahmenbedingungen (Wirkungsgrad, Leistung, Energieinhalt). Das Projekt umfasst demnach folgende Forschungsschwerpunkte: - Erfassung (Simulation, Messung) der elektrischen und mechanischen Belastungsprofile für Schwungradspeicher als hochdynamischer Energiespeicher im praktischen Einsatz eines Individualfahrzeugs. - Design und Optimierung des Lagers und der elektrischen Maschine des Flywheel-Systems unter Berücksichtigung der ermittelten Belastungsprofile. Verhalten im Falle eines technischen Defekts bzw. Unfalls.
Das Projekt "Concept evaluation of low cost lithium polymer battery system for electric vehicles" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Mercedes-Benz Group AG durchgeführt. General Information/Objectives: Lithium polymer is recognised at one of the best performing, least toxic, potentially safest and cheapest battery technologies. This technology is therefore one of the most promising for the EV application. This project concerns industrial process research and lithium-ion polymer battery development for the EV application. The project also concerns system design, implementation and test of an electric car equipped with an integrated lithium-ion polymer battery system with the following specification: Energy Content: 20 kWh Power Content: 30 kW Weight: 200 kg max. Volume: 125 l max. Technical Approach The technical realisation of the lithium-ion polymer battery for electric vehicles specifically addresses: The design of cell and battery components Optimisation of the manufacturing technology Development of the battery system peripheral equipment (electronic control, thermal management) Test and control of batteries (performance, safety, cell balancing) Expected Achievements and Exploitation The project passes through a sequence of design, manufacturing and test analysis prior to the implementation and evaluation of the complete battery system in an electric vehicle. The following steps and advances are expected: Specification and test of a new process for high volume/low cost lithium-ion polymer battery manufacturing. Manufacturing of larger quantities of 40-50 Ah cells. Laboratory and bench test of 40-50 Ah cells according to EUCAR test procedures. Simulation of cell behaviour under load conditions, cooling system sizing, and device for a standardised EUCAR electric vehicle. Design and specification of new electronic control system for lithium battery systems in electric vehicles. Implementation, test and demonstration of the battery system in an electric vehicle. Demonstration of an operation range of more than 200 km at 80 km/hour. Documentation confirming a system lifetime of more than 100,000 km. Documentation confirming that the Car of Tomorrow short term development goals for advanced electric vehicle batteries have been achieved with the system developed. Prime Contractor: Danionics A/S; Odense; Denmark.
Das Projekt "Materialien und Komponenten für Batterien mit hoher Energiedichte" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), IEK-1: Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren durchgeführt. Am Forschungszentrum Jülich sollen vier Themenschwerpunkte bearbeitet werden, welche in den Wingzentren 1, 2 und 4 eingegliedert sind. Im Wingzentrum I sind die Gruppen 'Van Gestel' (IEK-1), 'Uhlenbruck' (IEK-1) und 'deHaart' (IEK-9) eingegliedert. Dünnschicht-Festkörperelektrolyte (Glas oder Keramik) und Schutzschichten für Li-Luft Batterien mittels nasschemischer Verfahren (Sol-Gel) bzw. Gasphasenabscheidung (PVD) sind der Forschungsschwerpunkt der ersten beiden Gruppen. Die Gruppe 'deHaart' entwickelt schwerpunktmäßig 3D-Strukturierte Kathoden aus Oxidkeramischen Werkstoffen. Im Wingzentrum II werden Mikrostrukturveränderungen von der Gruppe 'Markus' (IEK-2) charakterisiert und modelliert um die grundlegenden Prozesse identifizieren und besser verstehen zu können. Im Wingzentrum IV wird die Gruppe 'Buchkremer' (IEK-1) intensiv mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Mie Universität Japan an der dort entwickelten Li-Luft Zelle auf Wasserbasis arbeiten. Die dort als Prototyp vorhandene Zelle soll dabei am IEK-1 mit Hinsicht auf den Fest-/ Polymer-schichtelektrolyt optimiert werden. In Kooperation mit den beteiligten Partnern werden Materialien entwickelt bzw. verwendet um Halb- bzw. Vollzellen herzustellen. Diese werden elektrochemisch Charakterisiert und hinsichtlich ihrer Zellperformanz und strukturellen Stabilität bewertet. Diese Erkenntnisse fließen dann wieder in die Material- bzw. Zellherstellung (z.B. Dünnschichtelektrolyt, 3D-Kathode, etc.).
Das Projekt "Teilprojekt: Berechnung, Entwicklung und Produktion eines Siebdrucksystems für 3D Druckapplikationen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von EKRA Automatisierungssysteme GmbH durchgeführt. Im Teilvorhaben soll ein hochpräzises, neuartiges Drucksystem für den 3D Siebdruck entwickelt und gebaut werden. Aufgrund der Abweichungen der Sollvorgaben im Hinblick auf Positionierpräzission und der Schichtdickenstabilität des Druckbildes, werden alle Teile des Drucksystems neu konstruiert, bzw. bestehende Teile stark modifiziert. Im einzelnen sind das: Maschinengestell, Oberteil, Rakelwerk, Hubstation, Drucktisch und das 3D-Messsystem.
Das Projekt "Teilprojekt: Siebentwicklung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MP & L Produktions GmbH durchgeführt. Entwicklung neuer Siebe die den Ansprüchen der Suspension gerecht werden welche bei der Herstellung elektrischer Motoren, durch das 3D-Siebdruckverfahren, zur Anwendung kommen. Es sollen die ersten Versuche zum Siebdruck mit den noch auszuwählenden Materialien, bzw. Materialkombinationen abgeschlossen sein, sodass die notwendeigen Konstruktionsunterlagen für die Siebfertigung erstellt werden können. Es soll nachgewiesen werden, dass die Hauptkomponenten des Antriebmotors mittels 3D Siebdruck hergestellt werden können. Weiterhin sollen die Arbeiten zum Konzept des Demonstrators einer Seriensiebdruckanlage abgeschlossen sein.
Das Projekt "Umweltschonende Herstellung von wiederaufladbaren langlebigen Lithium-Polymer-Batterien mit Festkörper-Elektrolyten und extrudierten Elektroden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von VARTA Microbattery GmbH durchgeführt. Die Microbatterie GmbH, Ellwangen, eine 100 Prozentige Tochter der VARTA AG, errichtet eine Anlage zur großtechnischen Produktion von Lithium-Polymer-Batterien, die insbesondere bei miniaturisierten, transportablen Anwendungen wie z.B. Handies und Notebooks eingesetzt werden sollen. Das Produkt und die Fertigungstechnik sind vollständige Neuentwicklungen. Die Microbatterie GmbH will gesundheitsschädliches Kobalt in der Produktion und im Produkt durch umweltverträgliche Lithium-Mangan-Oxide substituieren. Ferner soll der bisher verwendete Flüssigelektrolyt in einem ersten Schritt zum Teil durch einen umweltverträglicheren ionenleitenden Festkörperelektrolyten und in einem zweiten Schritt durch eine Kombination zweier Festelektrolyte ersetzt werden. Die Polymertechnologie mit der aluminisierten Tütenverpackung macht das Produkt recyclingfreundlich und sicher (keine Auslaufgefahr). Daneben zeichnen sich Lithium-Polymer-Batterien aufgrund ihrer Wiederaufladbarkeit (bis zu 1.000 mal bei den Hauptanwendungsgebieten) durch eine hohe Lebensdauer aus. Aus umweltpolitischer Sicht ist auch die umweltfreundliche Produktionstechnik hervorzuheben. Durch die Einführung eines innovativen Extrusionsverfahrens kann auf die bisher bei der Elektrodenherstellung und der Extraktion eingesetzten Lösemittel, Weichmacher und PTFE-Folien vollständig verzichtet werden. Bei der Extrusion werden die reinen Rezepturen vermischt und direkt als Folie mit einem Extruder hergestellt. Dieses Verfahren arbeitet abluft- und abwasserfrei. Die bei herkömmlichen Verfahren entstehenden Abfälle (Lösemittel, Weichmacher und Folie) können vollständig vermieden werden. Es fallen lediglich Elektrodenstanzabfälle aus Kupfer und Aluminium (5 Prozent der Einsatzmenge) und Gehäuseabfälle aus Aluminium (25 Prozent der Einsatzmenge) an, die stofflich verwertet werden können.
Das Projekt "FB2-POLY - Zellplattform Polymere" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Helmholtz Institut Ulm (HIU) für Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) durchgeführt. Lithium-Polymer-Batterien sind aktuell die einzige bereits kommerziell erhältliche Feststoffbatterie-Technologie. Aufgrund der geringen ionischen Leitfähigkeit bei Raumtemperatur müssen diese Batteriezellen jedoch bei Temperaturen im Bereich von 60-80 Grad Celsius betrieben werden. Zudem verhindert die geringe elektrochemische Stabilität des enthaltenen PEO-basierten Elektrolytsystems gegenüber hohen Zellspannungen die Nutzung von Hochenergie-Kathodenmaterialien. Die Arbeiten im Rahmen von FB2-POLY bauen auf den bereits sehr guten Ergebnissen von Fest-Batt-1 auf, um diese Herausforderungen zu adressieren und zu bewältigen. Ziele sind die erfolgreiche Weiterentwicklung Optimierung und Skalierung der vielversprechendsten Polymerelektrolytsysteme - sowohl via sogenannter 'Einzelschichten'-Lösungen als auch durch die synergetische Kombination verschiedener Polymersysteme in 'Mehrschichten'-Lösungen. Komplementär hierzu sollen makromolekulare Funktionsschichten die Grenzfläche zur Lithiummetall-Anode und Kathode stabilisieren und für einen effizienten Ladungsübergang sorgen. Ebenfalls untersucht werden Funktionsschichten für 'anodenfreie' Zellkonzepte. Die Arbeiten werden begleitet durch eine umfassende und systematische physikochemische und elektrochemische Charakterisierung und Ringversuche, um sicherzustellen, dass die erzielten Ergebnisse personen- und maschinen-unabhängig erhalten werden können. Das hohe Maß an Expertise im Gesamtverbund und Cluster als Ganzes in Kombination mit der intensiven Zusammenarbeit der beteiligten Partner verspricht gute Erfolgsaussichten zur Erreichung dieser Ziele.
Das Projekt "Materialien und Komponenten für Batterien mit hoher Energiedichte" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Münster, Institut für Anorganische und analytische Chemie, Lehrstuhl Festkörperchemie , Materialwissenschaften, Arbeitsgruppe Wiemhöfer durchgeführt. Die Aktivitäten der Gruppen WWU/MEET sind in standortübergreifenden WING-Zentren konzentriert. Die Ziele betreffen zum einen die gezielte Entwicklung neuer und verbesserter Batteriekomponenten für Zellen mit hoher Energiedichte und zum anderen die Übertragung solcher Materialien in die Zellfertigung. Bei den Elektroden sind als Schwerpunkte Lithiummetall-Anoden, Kathodenmaterialien mit der Möglichkeit zu überstöchiometrischer Einlagerung von Lithium und 3D-strukturierte Kathoden für Lithium-Luft-Zellen zu nennen. Im Elektrolytbereich geht es um die Entwicklung daran angepasster, neuer Elektrolyte auf Basis von ionenleitenden Polymer-, Glas- und Keramikschichten sowie integrierte Schutzschichten. Die Arbeitsplanung der Gruppen der WWU und des MEET umfasst präparative Arbeiten zur Synthese von polymeren Elektrolytmaterialien, niedermolekularen Elektrolytzusätzen zu verschiedenen Kathodenstrukturen auf Oxid- und Kohlenstoffbasis sowie deren Kombination. Eng verzahnt damit ist die Zellfertigung am Standort Münster. Die bereitgestellten Materialien werden hier in reale Zellen verbaut, vermessen und schließlich auf Anwendbarkeit überprüft. Neben elektrochemischer Analytik werden die Gruppen aus Münster zur direkten Sicherstellung der Materialeigenschaften spektroskopische und bildgebende nanoanalytische Verfahren wie REM und AFM zur Untersuchung der Materialbeschaffenheit einsetzen.
Das Projekt "FB2-Hybrid - Querschnittsplattform Hybridisierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Helmholtz Institut Ulm (HIU) für Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) durchgeführt. Die Entwicklung hochleistungsfähiger Lithium-Metall-Batterien ist eine der vielversprechendsten Möglichkeiten für eine weitere Steigerung der Energiedichte. Aktuell ist die einzige am Markt verfügbare Technologie eine Lithium-Polymer-Batterie. Aufgrund der geringen ionischen Leitfähigkeit bei Raumtemperatur müssen diese Batteriezellen jedoch bei Temperaturen im Bereich von 60-80 Grad Celsius betrieben werden. Zudem verhindert die geringe elektrochemische Stabilität des enthaltenen PEO-basierten Elektrolytsystems gegenüber hohen Zellspannungen die Nutzung von Hochenergie-Kathodenmaterialien. Die Arbeiten im Rahmen von FB2-Hybrid bauen auf den bereits sehr guten Ergebnissen von FestBatt-1 auf, um diese Herausforderungen zu adressieren und zu bewältigen. Ziele sind die erfolgreiche Entwicklung, Optimierung und Validierung intelligenter Hybridelektrolytsysteme basierend auf einer keramischen und einer polymeren Phase. Hierfür werden verschiedene Zellkonzepte und Elektrolytarchitekturen entwickelt, wobei der Fokus der Arbeiten am HIU auf der Entwicklung geeigneter polymerer Phasen für solche Systeme liegt, inklusive der Einbringung in die keramische Phase bzw. vice versa. Die Arbeiten werden begleitet durch eine umfassende und systematische physikochemische und elektrochemische Charakterisierung und Ringversuche, um sicherzustellen, dass die erzielten Ergebnisse personen- und maschinen-unabhängig erhalten werden können. Das hohe Maß an Expertise im Gesamtverbund und Cluster als Ganzes in Kombination mit der intensiven Zusammenarbeit der beteiligten Partner verspricht gute Erfolgsaussichten zur Erreichung dieser Ziele.
Das Projekt "Materialien und Komponenten für Batterien mit hoher Energiedichte" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Materialien - Elektrochemische Technologien durchgeführt. Am Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (IWE) des Karlsruher Instituts für Technologie sollen Lithium/Luft-Zellen und deren Komponenten, im Besonderen die beim Partner FZJ entwickelten Dünnschicht-Festelektrolytsysteme und Polymer/Festelektrolyt-Hybride, elektrochemisch charakterisiert und modelliert werden. Ziel ist das Verständnis der in der Zelle ablaufenden Prozesse und die darauf aufbauende Entwicklung von Modellen, die eine auf Simulationsrechnungen basierende Optimierung festelektrolytbasierter Lithium/Luft-Zellen ermöglichen. Dazu werden die bei den Partnern FZJ, WWU und Mie University entwickelten Dünnschicht-Festelektrolytsysteme, Polymer/Festelektrolyt-Hybride und Lithium/Luft-Zellen elektrochemisch charakterisiert. Neben OCV- und Lade/Entlade-Kennlinien werden die einzelnen, in der Zelle auftretenden Verluste über elektrochemische Impedanzspektroskopie und die Auswertung der Impedanzspektren über die Verteilungsfunktion der Relaxationszeiten erfasst. Auf Basis der experimentellen Ergebnisse werden Modelle für den ionischen Transport im Festelektrolyten und die elektrochemischen Prozesse in der Zelle entwickelt. Diese fließen in ein FEM-Zellmodell ein, welches zur modellgestützten Optimierung der Lithium/Luft-Zelle genutzt wird. Aus Simulationsrechnungen mit entsprechend variierten Zellparametern werden Designrichtlinien abgeleitet und entsprechend optimierte Elektrolyte, Elektrodenstrukturen und Zellen in Kooperation mit den Partnern entwickelt.
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