INFAB – Zink-Ionen-Batterien für die stationäre Energiespeicherung – Fertigung und Assemblierung

Laufzeit: 01/2020 - 06/2024
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
Kooperationspartner: Universität Stuttgart –Institut für Photovoltaik
acp systems AG
Helmut Hechinger GmbH & Co. KG
Projektfokus:         
© Fraunhofer ISE
Batteriestack-Konzept für das Forschungsprojekt INFAB auf Basis einer modularen Batteriezellarchitektur.
Elektrodenmaterial für die Herstellung dreidimensionaler Elektrodenstrukturen auf Basis von hochverfügbaren Ausgangsstoffen.
© Fraunhofer ISE
Elektrodenmaterial für die Herstellung dreidimensionaler Elektrodenstrukturen auf Basis von hochverfügbaren Ausgangsstoffen.
Elektrodenstruktur für die Zink-Ionen-Technologie auf Basis eines innovativen Beschichtungsprozesses.
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Elektrodenstruktur für die Zink-Ionen-Technologie auf Basis eines innovativen Beschichtungsprozesses.

Neben dem Bedarf an Stromspeichern in der Elektromobilität werden auch stationäre Batteriespeicher (SBS) im großen Maßstab benötigt. Aufgrund der zeitlichen und regionalen Fluktuationen im Angebot erneuerbarer Energien sowie in der Nachfrage seitens der Verbraucher ist die Flexibilisierung der Stromversorgung im Rahmen der Energiewende von entscheidender Bedeutung. SBS bieten hierbei die Möglichkeit, Angebot und Nachfrage an elektrische Energie in Einklang zu bringen.

Bei der Betrachtung des aktuellen Stands der Technik bei SBS zeigt sich, dass Lithium-Ionen-Batteriesysteme (LIB) den Markt dominieren. Dabei können sich Konflikte im Bereich von wirtschaftlichen, ökologischen und sozialen Kriterien ergeben. Weiterhin bestehen Sicherheits- und Gesundheitsrisiken bei unsachgemäßem Umgang durch die Materialwahl. Dadurch ergibt sich die Notwendigkeit der Forschung an alternativen Batteriezelltechnologien.

Das Forschungsvorhaben INFAB fügt sich in den Bereich der Batterieforschung für SBS ein. Die aktuellen Herausforderungen der Forschung an SBS liegen im Spannungsfeld der Sicherheit, der Langlebigkeit, der Investitionskosten und der anwendungsspezifischen Speicherkosten (Levelized Cost of Energy Storage, kurz LCOS), der Rohstoffverfügbarkeit sowie der Umwelt- und Sozialverträglichkeit im gesamten Produkt-Lebenszyklus. Die leistungsfähige Zink-Ionen-Batterietechnologie sticht hervor durch die Einfachheit des Systemaufbaus bei gleichzeitig hoher Sicherheit, ungiftigen Batteriebestandteilen sowie der Möglichkeit eines umwelt- und sozialverträglichen Rohstoffabbaus innerhalb der EU.

Im Rahmen des Projekts sollen neuartige dreidimensionale Elektrodenstrukturen als Stromableiterstrukturen entwickelt werden, um eine hohe Energiedichte pro Zelleinheit bei gleichzeitiger hoher Leistungsdichte zu erzielen. Die dreidimensionalen Faserstrukturen sollen sowohl zu einer substanziellen Verringerung des Innenwiderstands beitragen als auch die elektronischen Transportwege verkürzen. Darüber hinaus sollen die Strukturen die Elektroden sowohl mechanisch (Kathode) als auch elektrisch (Anode) stabilisieren.

Die Entwicklungen auf Material- und Zellebene fließen ein in die Entwicklung einer leistungsfähigen und nach Nachhaltigkeitsgesichtspunkten ausgelegten Zell-, Modul- und Systemarchitektur für die Batterie einschließlich der Entwicklung eines geeigneten Batterie- und Energiemanagementsystems (BMS/EMS) sowie der Entwicklung geeigneter skalierbarer Herstellungsverfahren zur Herstellung von wiederaufladbaren Zink-Ionen Batteriezellen, welche für eine industrielle Großserienproduktion in nachfolgenden Schritten skaliert werden können. Damit soll der Technologiereifegrad der ZIB-Technologie und der zugehörigen Fertigungstechnik durch die Arbeiten im vorliegenden Projektvorhaben auf den TRL 6 (Prototyp in Einsatzumgebung) angehoben werden.

Zentrale Ziele des Vorhabens sind:

 

  • Modellierung der ZIB-Zellchemie,
  • Entwicklung von Herstellungsprozessen und einer Architektur für ein Zink-Ionen-SBS auf Basis wässriger Elektrolyte,
  • Bau und Charakterisierung von Zell- und Stackprototypen,
  • Entwicklung geeigneter Batterie- und Energiemanagementsysteme,
  • Implementierung von flexiblen automatisierten Fertigungsprozessen für die Herstellung eines Batteriesystems und Entwicklung von einzelnen Anlagenmodulen,
  • Schaffung der technologischen Grundlagen und Konzepte für eine Großserienproduktion der SBS.
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    Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema:

    Geschäftsfeldthema

    Batteriesystemtechnik

    Geschäftsfeldthema

    Batteriezelltechnologie

    Geschäftsfeldthema

    Angewandte Speichersysteme

    Geschäftsfeld

    Wasserstofftechnologien und Elektrische Energiespeicher