Nanomaterialien zur Verwendung in elektrischen Energiespeichern

Projekttitel: Entwicklung einer VDE-Anwendungsregel und eines IEC NWIP (New Work Item Proposal) für Nanomaterialien zur Verwendung in elektrischen Energiespeichern, wie Li Batterien oder Superkondensatoren.

Ideengeber*in:

Potenzielle Projektpartner*innen

• Dr. Mihails Kusnezoff,

  Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS),

  Winterbergstr. 28, 01277 Dresden,

  E-Mail: mihails.kusnezoff@ikts.fraunhofer.de

Ausgangslage

Aus heutiger Sicht sind elektrochemische Speicher bzw. daraus abgeleitete, noch zu entwickelnde innovative Konzepte, die Elektroden aus nanoskaligen Kompositmaterialien verwenden, als aussichtsreiche Kandidaten für zukünftige Batterien und Superkondensatoren mit höherer Leistungs- und Speicherdichte anzusehen. Die Speichermaterialien, die in den Elektroden eigesetzt werden, sollen eine Reihe an Anforderungen erfüllen, deren Quantifizierung eine anspruchsvolle Aufgabe darstellt. Aus diesem Grund ist es wichtig, die für die Anwendung relevanten charakteristischen Eigenschaften der Ausgangsmaterialien eindeutig zu definieren und reproduzierbar messen zu können.

Zur Elektrodenherstellung werden die Materialien überwiegend in Pulverform verwendet. Die elektrochemischen Eigenschaften der Pulver lassen sich jedoch nicht direkt bestimmen, sondern können erst nach Herstellung einer viskosen Masse, die anschließend zu Elektrodenschichten definierter Dicke verarbeitet wird, vermessen werden (siehe hierzu IEC/TS 62607-4-1 Ed.2.0 und IEC TS 62607-4-5 Ed. 1).

Aktuell wird die Spezifikation für Pulver nach wenigen (und unvollständigen) Kriterien vereinbart, welche nicht einheitlich dargestellt sind, was erfahrungsgemäß eine signifikante Fehlerquelle sein kann, eine Vergleichbarkeit / Substituierbarkeit der Produkte auf dem Markt erschwert und einen fairen internationalen Wettbewerb behindert. 

Um diesen Mangel zu beseitigen ist das übergeordnete Ziel des Projekts die Erarbeitung und Beschreibung von typischen und vollständigen belastbaren Kenngrößen und Schlüsselmerkmalen (Key Control Characteristics, KCC) für primäre Aktivmaterialien.

Hierfür soll die Auswahl von bereits vorhandenen IEC Messverfahren, sowie die zu erwartenden Toleranzen nach Materialklassen und die zu tolerierenden Messabweichungen für die darzustellenden KCCs erfolgen. Beispiele für wichtige Parameter sind:

- Theoretische Dichte des Aktivmaterials

- Phasenbestandteile

- Partikelgrößenverteilung, Größe der Primärpartikel (Bestimmung Anteil „nano“-Partikel)

- Spezifische freie Oberfläche nach BET¹⁾

- Porenverteilung in Agglomeraten aus Einzelpartikeln (abgeleitet von BET-Verfahren)

- Zusammensetzung aus den chemischen Hauptbestandteilen

- Verunreinigungen

- Kompressibilität des Pulvers (siehe hierzu IEC TS 62607-4-2 Ed.1.0)

- O₂-Entwicklung aus dem Kathodenmaterial / Zersetzungstemperatur

- Wärmeentwicklung bei O₂-Verlust (gespeicherte „thermische Energie“)

- Änderung des Volumens und der freien Oberfläche der Partikel bei Ladung / Entladung

¹⁾ DIN ISO 9277:2003-05 Bestimmung der spezifischen Oberfläche von Feststoffen durch Gasadsorption nach dem BET-Verfahren

Das Projektergebnis (der erarbeitete Entwurf mit Templates und Datenblattvorlagen) soll national als VDE-Anwendungsregeln veröffentlicht und zeitgleich den interessierten Kreisen zur Kommentierung vorgestellt werden, um zeitnah ein internationales Standardisierungsprojekt hierzu auf den Weg zu bringen. Dabei wird sichergestellt, dass die interessierten Kreise in Deutschland zum Beispiel über DKE K141 eingebunden sind. Die erarbeiteten Ergebnisse werden dann in die internationale Normung eingespeist. Dies soll im IEC/TC 113 erfolgen, in dem die wesentlichen Normen zur Nanoelektronik entwickelt werden. Es besteht ein hoher Zeitdruck, da das chinesische Nationale Komitee für IEC TC 113 sehr aktiv ist und schon verhältnismäßig weit fortgeschritten ist, die Normung auf diesem wichtigen Zukunftsgebiet im nationalen chinesischen Interesse zu gestalten.

Nutzen

Worin liegt das Optimierungspotential?

Verwendung von Li-Batterien und Superkondensatoren in der Automobilproduktion stellen besondere Anforderungen an Nachverfolgbarkeit und Qualitätskontrolle der Komponentenherstellung vom Pulver bis zum System dar, da alle qualitätsrelevanten Zulieferer für die Automobilindustrie bis hin zu den „3rd Tier Suppliers“ die Anforderungen der äußerst anspruchsvollen Norm IATF 16949 (enthält die Norm ISO 9001 und deutliche Verschärfungen an Stellen, die für die Praxis des Qualitätsmanagements besonders wichtig sind) einhalten müssen.

Die existierenden Normungsinstrumente adressieren nahezu ausschließlich Tests an fertigen Komponenten und greifen nicht tiefer in die Materialaspekte der Elektrodenherstellung ein. Die Berücksichtigung dieser „Upstream“ Anteile der Wertschöpfungskette wird aber von der Norm IATF 16949 zwingend gefordert.

An diesem Punkt setzt die Idee dieses Vorhabens auf. Das Ziel des Projekts ist die Erarbeitung und Beschreibung von typischen belastbaren Kenngrößen und Schlüsselmerkmalen (Key Control Characteristics, KCCs) für primäre Aktivmaterialien, die Auswahl von bereits vorhandenen IEC Messverfahren, sowie die zu erwartenden Toleranzen nach Materialklassen und die zu tolerierenden Messabweichungen für die darzustellenden KCCs. Das Konzept der KCCs verbunden mit genormten Materialspezifikationen und Templates (Blank Detail Specification, BDS) ist direkt von der Vorgängernorm von IATF 16949, der ISO TS 16949, abgeleitet und lässt sich damit direkt in ein bestehendes Qualitätsmanagementsystem, dass der IATF 16949 genügt, eingliedern. Durch die Recherche und Kommunikation mit Werkstoffproduzenten sollen die Lücken in dem aktuellen Normensystem aufgedeckt und anschließend bearbeitet und geschlossen werden.

Wer profitiert von der Innovation und dem Standard?

Die Norm soll generell allen Unternehmen, die nano-befähigte Materialien in der Wertschöpfungskette elektrischer Speicherherstellung verwenden, und insbesondere den Hersteller von Batterien oder Superkondensatoren, die Möglichkeit eröffnen, ohne tiefe wissenschaftliche Grundlagenkenntnisse der Nanotechnologie die Materialen für ihre Anwendung gemäß standardisierter Anforderungen zu spezifizieren. Die Norm soll einen wesentlichen Beitrag zur Etablierung der robusten, kostenoptimierten und nachhaltigen Wertschöpfungsketten vom Material bis zum System, die an existierende Anforderungen der Automobilproduktion anknüpfen können, liefern. Sie soll der Industrie Vorgaben für eine eindeutige Spezifikation im Bereich der Aktivmaterialien bereitstellen und damit die „Kommunikations“-Lücke zwischen Materialeigenschaften und Zelleigenschaften adressieren und zukünftig in einer systematisch angelegten Weise schließen.

Wie werden die Ergebnisse nach Projektabschluss verwertet?

Entwurf mit Templates und Datenblattvorlagen sollen national als VDE-Anwendungsregeln veröffentlicht werden und danach in die internationale Normung bei IEC TC 113 eingespeist werden. Durch die Beteiligung an Erstellung von Templates und Datenblattvorgaben werden die deutschen Unternehmen auf die kritischen Fragestellungen der Aktivmaterialcharakterisierung aufmerksam gemacht und aufgefordert, ihre Qualitätssicherungsprozesse im Einklang mit der IATF 16949 zu gestalten. Aus dieser Erkenntnis heraus werden ihre Produkte inhärent automotiv-tauglich. Unternehmen werden gleichzeitig auf künftige Standardisierungsinitiativen bestens vorbereitet.

Skizzieren Sie bitte die europäische/internationale Bedeutung

Insbesondere aufgrund der Einführung der volatilen erneuerbaren Energiewandler und Elektrifizierung des Transportsektors gewinnt das Thema Energiespeicherung für die Realisierung der Energiewende immer mehr an strategischer Bedeutung. Hier bilden sich neue Wertschöpfungsketten aus, wo zunehmend kleinere und mittelständige Unternehmen mit neuen Ideen und Dienstleistungen aktiv werden. Auch große europäische und deutsche Unternehmen (Umicore, BASF, Clariant etc.) sind im Bereich der Pulverherstellung für Li-Batterien aktiv. In der Zeit der Ausbildung industrieller weltweiter Wertschöpfungsketten und Business-Modelle ist es sehr wichtig, den Unternehmen eine Hilfestellung im Sinne standardisierter Vorgaben für Schnittstellen zu geben, damit weltweit möglichst gleiche Kenngrößen für die Evaluierung der Materialien herangezogen werden. Aus diesem Grund ist es von Bedeutung, die charakteristischen Eigenschaften dieser Materialien zu definieren und reproduzierbar messen zu können.

Bestehen Einreichungsmöglichkeiten bei Europäischen und internationalen Normungsorganisationen (CEN/CENELEC/ISO/IEC)?

Im IEC TC 113/WG 11 besteht ein offener Arbeitspunkt:

“An NWIP for a blank detail specification for nanomaterials for nano-enabled energy storage is under development. It was suggested that there is potential new work for applications involving graphene and supercapacitors.”

Skizzieren Sie bitte die Markt- und gesellschaftliche Relevanz

Innovative Materialien (Schwerpunktbereich 2017: Mobilität) und dem Fokus der DIN Connect Ausschreibung 2020 Energie: Batterien, dezentrale Netze in Anlehnung an die Hightech-Strategie 2025 der Bundesregierung. Die Bundesregierung will den Aufbau einer  Batteriezellproduktion zur Sicherung der technologischen Souveränität zur maximalen Abdeckung der Wertschöpfungskette zur Batterie in Deutschland unterstützen.

Kompetenzen und Ressourcen

ISC:

Insgesamt ca. 80 kumulierte Jahre Erfahrung in der internationalen Normung, diverse Auszeichnungen für die Partner des Beratungsunternehmens, Leitung des IEC TC 113 Nanotechnology for electrotechnical products and systems in Sekretariatsfunktion, Leitung von nationalen Normungsgremien und Leitungs- bzw. Beratungsfunktionen internationalen Konsortien, wie SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International oder CGIA (China Graphene Innovation Alliance) 

Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS:

Seit 2008 befasst sich Fraunhofer IKTS mit der Batterien und Superkondensatoren und insbesondere mit Material- und Elektrodenentwicklung, wo ein erheblicher Normungsbedarf festgestellt wurde. Seit 2012 ist IKTS in der Normung der elektrischen und elektrochemischen Verfahren zu Charakterisierung von Nanomaterialien für Batterien und Superkondensatoren aktiv tätig (drei INS-Projekte wurden erfolgreich bis zur Publikation wissenschaftlich federführend begleitet und wurden mit dem IEC 1906 Award gewürdigt). Hinzu helfen die Erfahrungen des IKTS in der Materialentwicklung für die Festkörperbatterien (BMBF-Projekt FestBat), wo er zusammen mit FZJ eine federführende Position bei oxidischen Festelektrolytbatterien einnimmt.

Standardisierungsscope

Es ist vorgesehen, das Arbeitsergebnis national als VDE-Anwendungsregeln und international als New Work Item Proposal (NWIP) in die internationale Normung bei IEC TC 113 einzubringen.

Die Fördermittel sind als Anschubfinanzierung vorgesehen, ohne die Fördermittel können die Forschungsergebnisse nicht in die nationale und internationale Normung eingebracht werden