Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFBDie Fraunhofer-Gesellschaft ist auf allen Gebieten der Batterieforschung aktiv. Ziel der Vorhaben und Projekte ist es, die Produktionskosten der Batterien zu senken, die Energiedichte durch neuartige Materialkombinationen und neues Zelldesign zu erhöhen und die Batterien und deren Einsatzszenarien sicherer zu machen. Nachfolgend stellen wir einige Projekte vor.
© Fraunhofer ILT
Projektbeispiele für Batterieforschung bei Fraunhofer
Neue Batterietechnologien
»EMBATT« – Höhere Energiedichte und Reichweite durch Stapelbauweise
Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS arbeitet gemeinsam mit Industriepartnern im Projekt »EMBATT« zusammen, um für eine effiziente Fertigung einer großformatigen Bipolarbatterie Materialien und Prozesse zu entwickeln. Ziel ist es, die Energiedichte von Batterien durch bipolare Elektrodenaufbauten zu verbessern. Hierbei werden die Batteriekomponenten derart zu einem Stack gestapelt, dass ein aufwändiges Packen und Verbinden der einzelnen Zellen entfällt und Widerstände innerhalb eines Stacks verringert werden. Damit lassen sich die hohen Energiedichten auf Zellebene direkt auf den Stack und damit auf das gesamte Batteriesystem übertragen. Für diese Stapelbauweise sind Kathodenmaterialien mit definierten Anforderungen erforderlich, die das Fraunhofer IKTS im Rahmen des Projekts entwickelt. Die Experten arbeiten derzeit auch an anderen Batteriekomponenten wie Anode, Elektrolyt und Ableiterfolie sowie Dichtungen für das bipolare Stackdesign. Die EMBATT-Technologie wird vermutlich hohe Energiedichten von 450 Wh/L auf Systemebene bei geplanten Produktionskosten <200 €/kWh liefern. Damit können Elektrofahrzeuge zukünftig alltagstaugliche Reichweiten erreichen. Das wiederum ist ein wichtiger Beitrag für den Erfolg der Elektromobilität.
»MASAK« – Magnesiumsulfidakku zur Elektroenergiespeicherung
Durch den Einsatz alternativer Materialien kann auf selten verfügbare oder giftige und damit auf teurere Materialien verzichtet werden, die sonst standardmäßig in Lithium-Ionen-Akkus verbaut werden. Im Verbundprojekt »MASAK« forscht das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM an Hochleistungsakkus mit einer hohen Speicherdichte, die nicht auf Lithium basieren. Statt Lithium wird im Projekt Magnesium als Elektrodenmaterial verwendet und somit Magnesiumsulfid-Batterien entwickelt. Die Magnesiumsulfid-Batterie ist damit eine kostengünstige Alternative, die vermutlich 150 Wh/kg praktisch erreichen kann.
»OrtOptZelle« – Ortsabhängige Kompression von Pouchzellen zur Lebensdaueroptimierung
Während des Ladevorganges von Lithium-Ionen-Batteriezellen kommt es zu einer reversiblen und irreversiblen Ausdehnung, wodurch eine erhebliche mechanische Belastung in den Zellen selbst, aber auch Druck auf die Nachbarzellen und das Gesamtmodul entstehen können. Diese mechanischen Belastungen haben eine direkte Auswirkung auf die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Batteriezellen. Das Projekt »OrtOptZelle«, an dem unter anderem auch das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE beteiligt ist, hat als zentrales Ziel, die lokalen Volumenänderungen und Druckverteilungen in der Zelle besser zu verstehen. Der Ansatz des Projekts ist dabei, die Volumenänderungen während der Lade- und Entladeprozesse präzise zu vermessen und das generierte ortsaufgelöste Profil dann mit der Alterung der Zellen zu korrelieren. In einem zweiten Schritt wird der Einfluss von gezielter externer Druckausübung auf die Zellen untersucht. Die Ergebnisse dieses Projektes sollen insbesondere auch zu einer signifikanten Verbesserung im Modulbau hinsichtlich des Alterungsverhaltens der Batteriezellen beitragen.
BEMA2020: Begleitmaßnahme zu Batteriematerialien für zukünftige elektromobile und stationäre Anwendungen (Batterie 2020)
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt mit unterschiedlichen Fördermaßnahmen die Erforschung neuer Batterietechnologien. Damit soll die wissenschaftliche und industrielle Basis der Batterieforschung auf- und ausgebaut werden, um Deutschland auf dem Weg zur Leitanbieterschaft für Schlüsseltechnologien der Elektromobilität voranzubringen. Ziel der BMBF-Fördermaßnahme »Batterie 2020« ist, Material- und Prozessentwicklungen im Systemzusammenhang zu betrachten und dadurch die Eigenschaften wie beispielsweise Energiedichte, Leistungsdichte, Lebensdauer, Sicherheit, Alterung und Kosten der Batterien deutlich zu verbessern. Das Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung ISI begleitet diese Prozesse bereits von Beginn an mit einem nationalen Roadmapping-Prozess (LIB 2015-Roadmapping) im Rahmen der BMBF-Innovationsallianz LIB 2015 und seit 2011 ergänzend mit einem internationalen Monitoring-Prozess (Energiespeicher-Monitoring) im Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme »Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität STROM«.
Zellproduktion
»LoCoTroP« – Neue Fertigungstechnologie zur Kosteneinsparung
Für die Herstellung von Batterieelektroden sind lösungsmittelbasierte Prozesse Stand der Technik. Nach der Elektrodenbeschichtung muss das Lösungsmittel in aufwändigen und kostenintensiven Trocknungsprozessen verdampft und zurückgewonnen werden. Für die Einsparung dieser Kosten in der Produktion forscht das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA mit Partnern im Projekt »LoCoTroP« an einem Trockenbeschichtungsprozess für Batterieelektroden, um energieeffiziente und umweltgerechte Produktionsprozesse mit geringen Kosten zu entwickeln.
»OptiEx« - Optimierte Herstellungsverfahren für High-Load Elektroden
Die Reduzierung der Fertigungskosten ist eine Voraussetzung für die zukünftige Verbreitung von Lithium-Ionen-Batterien für die Elektromobilität, aber auch für die stationäre Energiespeicherung. Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS entwickelt eine innovative Pilotanlage zur lösungsmittelreduzierten Elektrodenherstellung. Auf diese Weise kann die komplette Li-Ionen-Fertigungskette abgebildet und gezielt optimiert werden. Ein Schwerpunkt liegt auf der Skalierung von Beschichtungs- und Fertigungstechnologien für eine effiziente, ressourcenschonende und reproduzierbare Volumenproduktion von Lithium-Ionen-Batterien. Um die Prozesse zu analysieren und prozessbedingte Wechselwirkungen zu identifizieren, wird auf spezielle Inline- und Offline-Analytik zurückgegriffen.
Fraunhofer IKTS – OptiEx / Applikationszentrum Batterietechnologie
»Cell-Fill« – Optimierung von Befüllungs- und Wettingrozessen
Die Elektrolytbefüllung einer Lithium-Ionen-Batterie und das anschließende Wetting sind wesentliche Prozessschritte in der Batterieproduktion und stellen die Schnittstelle zwischen Zellmontage und Formierung dar. Diese Prozesse wurden wissenschaftlich bisher kaum untersucht. Im Rahmen des Projekts »Cell-Fill« forschen das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC und das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM gemeinsam mit weiteren Projektpartnern, darunter das MEET Batterieforschungszentrum der WWU Münster und der PEM Lehrstuhl der RWTH Aachen, an der Weiterentwicklung von Prozess-Struktur/Qualitäts-Eigenschaftsfunktionen für Befüllungs- und Wettingprozesse. Dabei wird untersucht, welche Produkt- und Prozessparameter die Elektrolytbefüllung dominieren und wie sich Änderungen auf die Wettingzeiten und damit die Performance der Zelle auswirken.
Perspektiven für eine klimaneutrale Batterieproduktion in Deutschland
Im Auftrag von Agora Verkehrswende hat das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI eine Studie zu den Perspektiven einer klimaneutralen Batterieproduktion für Elektromobilität in Deutschland koordiniert. Für die Realisierung einer nachhaltigeren Batterieproduktion spielen viele Aspekte eine Rolle, von der Förderung der Rohstoffe bis zur Kreislaufführung. Der Fokus dieses Projekts liegt auf einer Reduktion der Treibhausgasemissionen, die bei der Batterieherstellung anfallen. Im Rahmen des Projekts sollen dafür verschiedene Maßnahmen identifiziert und eingeordnet werden, die bei der Batteriezellproduktion die Treibhausgasemissionen, insbesondere CO2, reduzieren.
Materialforschung
»FliBatt« – Feste Lithiumbatterien mit Vliesstoffen
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE arbeitet mit weiteren Projektpartnern an der Entwicklung einer neuartigen Batteriezellarchitektur für die Realisierung von Festkörperbatterien. In Festkörperbatterien wird der flüssige Elektrolyt durch einen festen nicht-brennbaren Ionenleiter ersetzt und somit das sogenannte thermische Durchgehen vermieden und die Sicherheit von Batteriezellen maßgeblich erhöht. Auch wird der Einsatz von Lithium-Metall Anoden erleichtert, was höhere Energiedichten und somit für die Elektromobilität deutlich höhere Reichweiten ermöglicht. Ziel des Projekts »FliBatt« ist die Entwicklung eines innovativen Prozesses für einen neuen Zellaufbau, der die Herstellung von Festkörperbatterien mit einem kostengünstigen Fertigungsprozess ermöglichen soll. Das Fraunhofer ISE entwickelt dabei die Ausgangsstoffe für die Beschichtungsprozesse der Elektrode und der Separator-Schicht, und stellt sie den Partnern für die Optimierung der Beschichtungsprozesse zur Verfügung. Darüber hinaus baut und charakterisiert das Fraunhofer ISE die Batteriezellen.