Battery Materials and Cell Production

In unserem »Lab Battery Materials and Cell Production« forschen wir auf ~1.500 m² an innovativen Technologien zur Entwicklung und Optimierung von leistungsfähigen Batteriematerialien, effizienten Herstellungsverfahren sowie nachhaltigen Lösungen für die Energiespeicherung der Zukunft. In unseren Laboren können wir Prozesse im Labormaßstab entwickeln und diese bis hin zum Pilotmaßstab skalieren, um diese in Richtung der industriellen Anwendung zu optimieren.

Unsere Services im »Lab Battery Materials and Cell Production« umfassen:

• Synthese für Kathoden- und Anodenaktivmaterialien
• Elektrodenherstellung via lösungsmittelbasierter und trockener Prozessierung
• Zellassemblierung
• Elektrochemische Charakterisierung
• Trockenräume und Minienvironments

Für die Herstellung von Kathoden- und Anodenaktivmaterialen stehen am Fraunhofer ISE unterschiedliche Möglichkeiten und Skalierungsstufen zur Verfügung.

Im Bereich der Anodenaktivmaterialsynthese arbeiten wir mit Öfen mit unterschiedlichen Prozessatmosphären und Temperaturbereichen. Darüber hinaus kann das Aktivmaterial auf unserer Piot-Linie auf bis zu 5 kg Material pro Tag skaliert werden. An diesen Anlagen forschen wir unter anderem in den Bereichen der Silizium-Komposit-Herstellung für Lithium-Ionen-Batterien und der Synthese von Hard Carbon, welches als Anodenaktivmaterial für Natrium-Ionen-Batterien eingesetzt wird.

Für die Herstellung von Kathodenmaterialien können wir auf zwei unterschiedliche Prozesse zurückgreifen. So lassen sich am Fraunhofer ISE, neben der Feststoffsynthese für z.B. Schichtoxide (z.B. NMC) für Lithium-Ionen-Batterien, diese Aktivmaterialien auch durch wässrige Co-Fällung herstellen. In unseren Laboren stehen dafür Reaktoren mit 2 L und 10 L zur Verfügung. Die durch diesen Prozess hergestellten Präkursoren können durch einen anschließenden Hochtemperaturschritt lithiiert bzw. sodiiert werden. Die Forschung am Fraunhofer ISE erstreckt sich dabei von der Herstellung von Aktivmaterialien für Festkörperbatterien (ASSB) bis hin zur Synthese von Schichtoxiden für Natrium-Ionen-Batterien.

Zur Entwicklung und Herstellung von Elektroden stehen am Fraunhofer ISE unterschiedliche Prozesse und Skalierungsmöglichkeiten zur Verfügung.

Für die Entwicklung und Optimierung von Elektroden mittels lösungsmittelbasiertem Prozess können wir im Labormaßstab auf einen Rakelprozess zurückgreifen. Nach erfolgreicher Validierung im kleinen Maßstab können wir die Rezepturen auf einem Rolle-zu-Rolle-Beschichter (ab Q1/2025) untersuchen. Hier haben wir die Möglichkeit kleinere Mengen via Rakel in einem kontinuierlichen Prozess zu testen oder für einen weiteren Skalierungsschritt diese via Schlitzdüsenbeschichtung zu evaluieren. 

Für eine trockene bzw. semi-trockene Elektrodenherstellung verfügen wir am Fraunhofer ISE über unterschiedliche Möglichkeiten der Prä-Pulverprozessierung (z.B. Kugelmühlen und Granulierung). Eine diskontinuierliche Elektrodenherstellung kann sowohl im Knopfzellmaßstab oder in einem anwendungsorientierten Format (20 x 20 cm) erfolgen. Darüber hinaus haben wir die Möglichkeit mittels Kalander auch eine kontinuierliche Trockenbeschichtung zu prozessieren und zu evaluieren.

Bei der lösungsmittelbasierten Elektrodenherstellung forschen wir u.a. an PFAS-freien Bindersystemen und dem Einsatz von nicht-toxischen Lösungsmitteln wie z.B. Wasser. Im Bereich der Trockenbeschichtung untersuchen wir verschiedene Prozessmethoden zur Pulvervorbehandlung und arbeiten mit unterschiedlichen Bindersystemen.

Wir am Fraunhofer ISE können Materialien und Elektrolyten in verschiedenen Zellformaten testen:

• Experimentelle Zellformate (z.B. Knopfzellen, EL-Zellen oder Swagelok-Zellen) eignen sich, um Zellkomponenten beispielsweise während ihrer Entwicklung zu evaluieren. Zelltypen (EL-Zellen oder Swagelok-Zellen) mit einem 3-Elektroden-Aufbau erlauben u.a. eine genaue Bestimmung des Redoxpotentials. Darüber hinaus können diese Zellen geöffnet werden, sodass Post-Mortem-Analysen der Komponenten durchgeführt werden können.
• Ein- und mehrlagige Pouch-Zellen ermöglichen die Prüfung von Materialien und anderen Zellkomponenten in einem skalierten Aufbau. Diese werden entweder in der Glovebox oder mittels halbautomatischer Fertigung im Trockenraum assembliert.
• Zur Assemblierung von Festkörperbatterien steht in unseren Gloveboxen umfangreiches Prozessequipment zur Verfügung, um diese ausgehend vom experimentellen Zellen bis hin zu Pouchzellen skalieren zu können.
• Für wässrige Zellchemien (z.B. Zink-Ionen-Technologie) entwerfen wir die Zellgehäuse je nach Anforderung selbst und drucken sie u.a. mit einem 3D-Drucker.

Zur elektrochemische Charakterisierung stehen am Fraunhofer ISE unterschiedliche Möglichkeiten zur Verfügung:

• Charakterisierung im Halb- und Vollzell-Setup
• Entwicklung von Formierungsstrategien
• Galvano- und Potentiostatische Messmethoden (CC/CV und GITT-Messungen)
• Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)
• Cyclovoltammetrie (CV)
• Linear Sweep Voltammetrie (LSV)

Die Fertigung von Batteriezellen mit innovativen Materialien stellt hohe Anforderungen an die Produktionsumgebung. Am Fraunhofer ISE werden das Zusammenspiel aus Fertigungstechnik und Fertigungsinfrastruktur sowie neuartige Anlagenkonzepte untersucht. Mit dem Fokus auf Energieeffiziente Rein- und Trockenraumtechnik, Mini-Environments sowie Kontaminationskontrolle stehen folgende Leistungen zur Verfügung:

• Bewertung von Lüftungskonzepten von Fertigungsanlagen sowie Mini-Environments
• Bewertung der Effizienz von Entfeuchtungsanlagen und Trockenraum-Konzepten
• Untersuchung von Infiltrationen in die Anlagentechnik
• Untersuchung von Produktionstechnik, Intralogistik und Materialien in Mini-Environments unter variierenden Lüftungskonzepten und Inertgas, inklusive Partikelemissionskontrolle
• Mechanische Materialprüfung bei verschiedenen Taupunkttemperaturen (bis -55°Cdp)
• Anlagen- und Materialtests im Rein- und Trockenraum bei verschiedenen Atmosphärenbedingungen (Taupunkt -30°Cdp bis -55°Cdp)