Kurzbeschreibung
Phosphate-based cathode materials for safe and sustainable lithium-ion battery storage systems Im Projekt PHOENICS wird an sicheren, günstigen und nachhaltigen Lithium-Ionen Batteriezellen für stationäre Batteriespeicher geforscht. Der globale Ausbau erneuerbarer Energien wird in den kommenden Jahren zu einem starken Wachstum des Marktes für stationäre Speicher führen. Das Konsortium bestehend aus VARTA Innovation, Materials Center Leoben, Virtual Vehicle Research, AVL List und VARTA Storage will die Chance, die sich in dem Bereich für Österreich und Europa bietet, nutzen, um Marktanteile von asiatischen Herstellern zurückzuholen. Dazu wird das innovative Material Lithium-Mangan-Eisenphosphat (LMFP) weiterentwickelt und als Aktivmaterial für die Kathode in Zellen integriert. LMFP weist einen guten Eigenschaften-Mix aus Energiedichte, Langlebigkeit, Sicherheit und Kosten auf und eignet sich daher hervorragend für Batteriespeicher. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Nachhaltigkeit – LMFP beinhaltet keine kritischen oder toxischen Rohstoffe, wie Nickel oder Cobalt. LMFP ist im Vergleich zu anderen Kathodenmaterialien noch in einer relativ frühen Phase der Entwicklung. Für eine kommerzielle Nutzung von LMFP-Zellen in Speichern sind daher noch Forschungsarbeit und Entwicklungsschritte notwendig, die in PHOENICS systematisch angegangen werden. Es werden Verbesserungen bei der Energiedichte, der Lebensdauer und der Ladeeigenschaften der Zellen angestrebt. Zusätzlich wird der Entwicklungsprozess mit Hilfe von physikalischen, datengetriebenen und skalierbaren Modellen sowohl auf Zell- als auch auf Modulebene verkürzt. Gelingen wird dies durch den interdisziplinären Ansatz, der durch das breit aufgestellte Konsortium ermöglicht wird. Zur Optimierung der Zellen wird ein iterativer Entwicklungsansatz verfolgt, der die Entwicklung, Herstellung und Untersuchung mehrerer Zellgenerationen umfasst. Eine Kombination aus klassischer Zellcharakterisierung und modernsten bildgebenden Verfahren mit KI-unterstützter Bildauswertung schafft neue Möglichkeiten, die Material- und Zelleigenschaften zu bestimmen sowie Transporteigenschaften und Alterungsmechanismen zu identifizieren. Messungen der thermischen Eigenschaften der Zellen, ihrer Ausdehnung, sowie die Untersuchung des thermischen Durchgehens liefern darüber hinaus wichtige Daten für eine erste Sicherheitsbewertung von LMFP, die für eine Integration der Zellen in Speicher unerlässlich ist. Die Kombination der umfassenden Messergebnisse mit innovativen Modellierungsansätzen und Simulationsverfahren bietet enormes Potenzial, den Zellentwicklungsprozess signifikant zu beschleunigen. Die Modellierung erfolgt zunächst auf Material- und Zellebene, um ein genaueres Bild der Vorgänge in der Zelle zu erhalten. In einem weiteren Schritt werden diese Modelle durch Definition geeigneter Schnittstellen und unter Anwendung von Modellreduktionstechniken für ihre Nutzung zur Simulation von Batteriemodulen aufbereitet. Diese liefern erste Erkenntnisse zu Sicherheit und Performance der Zellen in einer Modulumgebung mit Fokus auf ihr thermisches Verhalten. Damit soll die Basis für eine spätere Integration der Zellen in reale Batteriespeicher geschaffen werden. Durch die Ergebnisse von PHOENICS werden nicht nur LMFP-basierte Zellen verbessert und eine Perspektive für deren Einsatz in stationären Speichern geschaffen, es wird auch der Wirtschafts- und Forschungsstandort Österreich mit starkem Fokus auf die Steiermark, sowie die europäische Wertschöpfungskette für Batterien gestärkt.