Batteriematerialien für zukünftige elektromobile, stationäre und weitere industrierelevante Anwendungen (Batterie 2020 Transfer)

Wer wird gefördert?

Antragsberechtigt sind Unternehmen der gewerblichen Wirtschaft sowie Hochschulen und Forschungseinrichtungen. Zum Zeitpunkt der Auszahlung einer gewährten Zuwendung wird das Vorhandensein einer Betriebsstätte oder Niederlassung bzw. einer sonstigen Einrichtung, die der Tätigkeit des Zuwendungsempfängers dient in Deutschland verlangt.
Die Ergebnisse des geförderten Vorhabens dürfen nur in Deutschland oder dem EWR und der Schweiz genutzt werden.
Die Beteiligung von kleinen und mittleren Unternehmen ist ausdrücklich erwünscht.  KMU im Sinne dieser Förderrichtlinie sind Unternehmen, die die Voraussetzungen der KMU-Definition der EU erfüllen.

Was wird gefördert?

Im Fokus der Bekanntmachung stehen:

• Forschung und Entwicklung im Rahmen risikoreicher, industriegeführter, vorwettbewerblicher Verbundprojekte,
• Verbundvorhaben, die der Umsetzung eines Machbarkeitsnachweises oder der Entwicklung eines Demonstrators dienen, um aus dem Labor einen entschei-denden Schritt weiter in Richtung Marktanwendung zu kommen,
• Industriegeführte Transferprojekte aus den Batterie-Kompetenzclusteraktivitäten,
• Forschungsverbünde zwischen Hochschulen und / oder außeruniversitären Forschungseinrichtungen mit enger Industrieeinbindung mit dem Ziel des Technologietransfers,
• Verbundvorhaben im Rahmen der verschiedenen Abkommen zur wissenschaftlich-technischen Zusammenarbeit mit internationalen Partnern.

Forschungsgegenstand aller angestrebten Forschungs-, Entwicklungs- und Innovationsprojekte sind material- und prozessbasierte Fragestellungen, die Sekundärbatterien mit den o.g. Anwendungsschwerpunkten betreffen. Folgende Sekundärbatterie-Typen werden berücksichtigt:

• Lithium-Ionen-Systeme mit mindestens einer Interkalationselektrode,
• alternative Batteriesysteme (Metall-Ionen-, Metall-Luft/Sauerstoff-, Metall-Schwefel- und andere zukunftsweisende Systeme).

In Abgrenzung zu anderen Fördermaßnahmen des BMBF werden keine Vorhaben zu Redox-Flow-Batterien, Superkondensatoren sowie Brennstoffzellen gefördert.

Die Vorhaben können verschiedene Stufen der Wertschöpfungskette, von der Materialentwicklung bis zur Batteriezellproduktion, adressieren. Sie können auch Betrachtungen bis zur Modul- oder Systemebene beinhalten, sofern diese einen wesentlichen Erkenntniszuwachs im Kernbereich des Vorhabens liefern. Alle Material- und Pro-zessentwicklungen sollen im Systemzusammenhang erarbeitet werden.

Vor diesem Hintergrund werden vorrangig Konzepte ausgewählt, die auf einem innovativen Batteriedesign basieren. Innovatives Design kann auf den verschiedenen Ebenen einer Batterie realisiert werden, etwa auf Material-, Zellkomponenten- oder Zellebene. Um den Rohstoffeinsatz in Zukunft noch effizienter zu gestalten, sollen dabei auch Ansätze zur Rohstoffeinsparung und Substitution berücksichtigt werden.
Darüber hinaus sollen auch bestehende Konzepte der genannten Ebenen hinsichtlich nachfolgender Recyclingverfahren oder dem Wiedereinsatz von Batterien überdacht werden. Die Batteriezellen aus Primär- als auch aus Sekundärrohstoffen sollen im Vergleich zum Stand der Technik zu deutlichen, quantifizierbaren Verbesserungen der Eigenschaften wie Energie- und Leistungsdichte, Schnellladefähigkeit, Lebensdauer, Sicherheit und Alterung führen. Zugleich soll eine kosteneffiziente Fertigung sichergestellt sein.

Ebenfalls werden innovative Konzepte betrachtet, die die Entwicklung von Prozessen und die notwendigen Produktionsmittel für Batterien adressieren. Hierbei werden Fertigungsprozesse und Produktionsmittel für die Wertschöpfungskette Batterie betrachtet. Eine praktische Erprobung auf Pilotlinien, etwa an der im Aufbau befindlichen „Forschungsfertigung Batteriezelle“ in Münster, kann dabei Teil der Vorhaben sein.

Batteriematerialien, Batteriesysteme
Projektideen können unter Berücksichtigung der Ressourcen- und Energieeffizienz zu folgenden Forschungsschwerpunkten der Wertschöpfungskette eingereicht werden:

• Material- und Zellkomponentendesign (z. B. Beschichtungen, Strukturierung, materialeffizienter Einsatz und Substitution der Rohstoffe, recyclinggerechte Konstruktion der Materialien und Zellkomponenten, Labeling für eine Recyclingstrategie),
• Materialsynthese oder -entwicklung von Kathoden- und Anodenmaterialien, Elektrolyten und Additiven sowie Separatoren inklusive Betrachtung des Skalierungspotentials,
• Materialsimulation bzw. -modellierung als Ergänzung zu experimentellen Untersuchungen,
• Mikrostrukturelle und physikalisch-chemische Charakterisierung (z. B. Grenzflächenphänomene, Reaktions- und Transportmechanismen, Einlagerungsme-chanismen, Dendritenbildung etc.) inklusive Methodenentwicklung,
• Zelldesign, z. B. Design und Konstruktion demontage- und recyclingfreundlicher Batteriezellen und -module, Monitoringsysteme und Überwachungskon-zepte (Hard- und Software) zur Beurteilung der Qualität, des Ladezustands, des Funktions- und des Alterungszustandes der Zellen, Substitution der Funktion durch innovative Konzepte, die vom üblichen Zelldesign abweichen (z.B. Ano-denfreie Zellkonzepte) sowie Lebenszyklusbetrachtungen zur Entscheidung Re-Use oder Recycling,
• Zellsimulation und -modellierung zur Prädiktion des Zellverhaltens (bspw. zur Alterungsprognose, Vermeidung kritischer Zustände und von Degradations-phänomenen),

Diese Forschungsschwerpunkte sind bedarfsorientiert zu bearbeiten. Sofern eine Industrierelevanz nachgewiesen wird, können auch andere Aspekte Forschungsgegen-stand sein. Unterteilt in zwei Themenschwerpunkte werden im Folgenden Beispiele für die dringendsten Fragestellungen genannt.

Lithium-Ionen-Systeme
Im Bereich der Lithium-Ionen-Technologie können Projektvorschläge eingereicht werden, sofern das adressierte Batteriesystem mindestens eine Interkalationselektrode aufweist. Hier können auch Festkörperbatterien berücksichtigt werden.

Alternative Batteriesysteme
Im Bereich der alternativen Batteriesysteme können Projektvorschläge eingereicht werden, sofern die Technologie dem Metall-Ionen- (keine Li-Ionen-Technologie), dem Metall-Luft/Sauerstoff- oder dem Metall-Schwefel-System zuzuordnen ist. Andere alterna-tive Systeme können Bestandteil der Projektidee sein, sofern ein hoher Innovationsgrad nachgewiesen wird.

Wiederverwendung der Sekundärrohstoffe und Batteriematerialrecycling
Der Schwerpunkt Wiederverwendung der Sekundärrohstoffe und Batteriematerialrecycling adressiert im Sinne der Zirkulären Wirtschaft (Circular Economy) u. a. den Abbau von Versorgungsrisiken sowie die Verbesserung des ökologischen Fußabdrucks und der Wirtschaftlichkeit von Lithium-Ionen-Akkumulatoren und alternativen Sekundärbatterietypen. Im Fokus stehen verbesserte und neue Recyclingverfahren zur funktionserhaltenden Wiedergewinnung und Rückführung sowohl qualitativ hochwertigen Re-Use-Kathoden- und Anodenmaterials, als auch des Elektrolyten. Für die Wiederverwertung der zurückgewonnenen Sekundärrohstoffe aus dem Recyclingstrom und aus Rückständen des Produktionsprozesses stehen die Verarbeitungsprozesse zur Sicherstellung vergleichbarer Eigenschaften von Primärrohstoffen sowie deren Aufbereitung und Erprobung als Zellkomponentenmaterial im Vordergrund der Forschungs- und Entwicklungsprojekte.

Innovative Fertigungsprozesse und innovative Produktionsmittel für die Wertschöpfungskette Batterie
Um Hochenergie- und Hochleistungsbatterien nicht nur besser, sondern auch kostengünstiger zu fertigen, müssen Hersteller, Maschinenbauer und Wissenschaftler gemeinsam die Prozess- und Produktionstechnologie verbessern. Daher fokussiert der Schwerpunkt „Innovative Fertigungsprozesse und innovative Produktionsmittel für die Wertschöpfungskette Batterie“ auf die Neu- oder Weiterentwicklung der notwendigen Prozess- und Anlagentechnik. Ziel ist es, die Flexibilität von Produktionssystemen bezüglich der zu verarbeitenden Materialien, der standardisierten Zellformate und der zu produzierenden Kapazitäten zu steigern.
Der Schwerpunkt reicht dabei vom Bereich der Materialherstellung bis zur fertigen Batteriezelle, kann aber im begründeten Einzelfall auch darüber hinausgehen. Umfasst werden auch Aspekte wie Prozesssimulation und -entwicklung sowie Elektroden- und Zellproduktion, Zellassemblierung und -gehäuse, automatisierte Modulfertigung und Industrie 4.0.

Wie wird gefördert?

Die Zuwendungen werden im Wege der Projektförderung als nicht rückzahlbarer Zuschuss gewährt. Die Förderung wird je nach projektspezifischem Bedarf i. d. R für einen Zeitraum von bis zu drei Jahren gewährt.

Förderfähig im Rahmen dieser Richtlinie sind grundlegende bis hin zu anwendungsnahen Untersuchungen innerhalb der genannten Batteriesysteme und Forschungsschwerpunkte, die durch ein hohes wissenschaftlich-technisches Risiko gekenn-zeichnet sind.
Die Förderung zielt auf industriegeführte Verbundvorhaben zwischen Industrie und / oder Wissenschaft ab. Die Konsortialführerschaft sollte ein Industrieunternehmen übernehmen. Abweichend davon sind Wissenschaftsverbünde zulässig

• im Themenschwerpunkts „Alternative Batteriesysteme“, sofern eine intensive Einbindung von Industrieunternehmen erfolgt, z. B. durch einen Industrie-beirat,
• im Themenschwerpunkt „Wiederverwendung der Sekundärrohstoffe und Batteriematerialrecycling“ in einzelnen, explizit begründeten Ausnahmefällen,
• sowie in internationalen Verbundvorhaben.