Lithium-Ionen-Technologien

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) revolutionieren die Energielandschaft und werden in tragbarer Elektronik bis hin zu Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energiesystemen eingesetzt. Mit ihrer hohen Energiedichte, Effizienz und langen Lebensdauer sind LIBs für den Wandel zu nachhaltigen Energielösungen unerlässlich. Ständige Fortschritte bei Materialien und Design machen diese Batterien umweltfreundlicher und kosteneffizienter und tragen damit zur wachsenden Nachfrage nach zuverlässigen Energiespeichern bei.

Am Fraunhofer ISE konzentrieren wir uns auf den gesamten Lebenszyklus von Lithium-Ionen-Batterien, angefangen bei der Entwicklung fortschrittlicher Batterie-Aktivmaterialien bis hin zur Rückgewinnung von Batteriematerialien durch innovative Recyclingverfahren. Die Herstellung und Charakterisierung von Aktivmaterialien, Elektroden und Batteriezellen erfolgt in unseren Speziallaboren, die Rein- und Trockenräume unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen umfassen. Wir unterstützen Forschungs- und Entwicklungsprojekte aktiv und sammeln Daten für techno-ökonomische Analysen der Lithium-Ionen-Technologie. Unsere Forschung verbessert die Leistung und Nachhaltigkeit von Lithium-Ionen-Batterien und stellt sicher, dass sie die Anforderungen moderner Anwendungen erfüllen und gleichzeitig einen Beitrag zu einer nachhaltigeren Zukunft leisten. Durch diese Bemühungen identifizieren wir Möglichkeiten für Verbesserungen und Innovationen, die nachhaltige Praktiken und die Gesamteffizienz der Batterietechnologie vorantreiben.

Unsere FuE-Leistungen zum Thema »Lithium-Ionen-Technologien« umfassen:

• Entwicklung fortschrittlicher Batterie-Aktivmaterialien
• Herstellung und Charakterisierung von Batterieelektroden
• Assemblierung und Charakterisierung von Lithium-Ionen-Batterien
• Entwicklung von neuartigen Elektrolyten und Additiven

Die Aktivmaterialien sind ein entscheidender Bestandteil von Lithium-Ionen-Batteriezellen. Für die Anode verwenden moderne LIBs in der Regel eine Mischung aus graphit- und silizium-basierten Kompositen, während für die Kathode hauptsächlich Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxide (NMC) und Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) verwendet werden.

Unsere FuE-Angebote im Bereich »Entwicklung fortschrittlicher Batterie-Aktivmaterialien« umfassen:

• Entwicklung von Anodenaktivmaterialien auf Silizium-Basis und deren Herstellung mit einem Tagesdurchsatz im Kilogramm-Maßstab
• Partikelveredelung, einschließlich Oberflächenmodifikation oder Oberflächenbeschichtung
• Herstellung von Kathodenaktivmaterialien (CAMs) durch Solid-State-Synthese, wässrige Co-Fällung der Präkursoren und anschließende Lithiierung, direktes Recycling oder hydrometallurgisches Recycling von LIBs nach Erreichen ihrer Nutzungsdauer
• Charakterisierung von Partikelgröße, Morphologie, Porengrößen, spezifischer Oberfläche, Oberflächenchemie und Dichte
• Elektrochemische Charakterisierung von Batterieaktivmaterialien und Benchmarking mit Referenzmaterialien

Neben der Auswahl der Aktivmaterialien spielen auch die anderen Komponenten der Elektroden (Binder, Leitadditive, Lösungsmittel, Additive) eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien. Am Fraunhofer ISE sind wir in der Lage, Batterie-Slurries und -Elektroden sowohl herzustellen als auch zu charakterisieren – von wenigen Millilitern Paste bis hin zum Litermaßstab.

Unsere FuE-Angebote im Bereich »Herstellung und Charakterisierung von Batterieelektroden« umfassen:

• Entwicklung optimierter Formulierungen für Batterie-Slurries, die optimale Leistung und Stabilität gewährleisten
• Herstellung von Elektroden mit unterschiedlichen Dicken und Zusammensetzungen, um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen
• Verarbeitung von Slurries und Herstellung von Elektroden unter kontrollierten Atmosphären bei verschiedenen Bedingungen (Taupunkt -30°C dp bis -55°C dp), zusammen mit der Bewertung von Belüftungskonzepten für Produktionsanlagen und Mini-Environments, gewährleistet optimale Bedingungen für die Elektrodenherstellung und minimiert die Feuchtigkeitsbelastung
• Umfassende Charakterisierung von Elektrodenmaterialien, einschließlich mechanischer Eigenschaften, Porosität und elektrochemischer Leistung
• Bewertung der Auswirkungen verschiedener Bindemittel und Additive auf die Gesamtleistung der Elektroden

Die Assemblierung und elektrochemische Charakterisierung von Lithium-Ionen-Batterien sind entscheidende Prozesse, die deren Effizienz, Sicherheit und Langlebigkeit bestimmen. Indem wir uns auf die Integration verschiedener Komponenten und eine gründliche Leistungsanalyse konzentrieren, können wir die Batterietechnologie für eine Vielzahl von Anwendungen verbessern. Wir bieten eine breite Palette von Dienstleistungen zur Unterstützung der Assemblierung und Optimierung von Lithium-Ionen-Batterien an, um deren Leistung und Sicherheit für verschiedene Anwendungen zu steigern.

Unsere FuE-Angebote im Bereich »Assemblierung und elektrochemische Charakterisierung von Lithium-Ionen-Batterien« umfassen:

• Assemblierung von Batteriezellen, einschließlich Knopfzellen, Zellen in Dreielektrodenaufbauten und ein- oder mehrlagigen Pouch-Zellen mit Z-Faltung oder Einzelblattstapelung
• Elektrochemische Charakterisierung von Batteriezellen, einschließlich Kapazität, Leistungsmessung und Alterung
• Post-mortem-Untersuchungen mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskopie, Computertomographie und anderen fortschrittlichen Techniken zur Analyse der Batterieleistung und -ausfällen
• Sicherheitsuntersuchungen hinsichtlich elektrischer, thermischer oder mechanischer Überbeanspruchung, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Batterien zu gewährleisten

Die Entwicklung von neuartigen Elektrolyten und Additiven ist für die Steigerung der Leistung und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien unerlässlich. Durch die Optimierung dieser Komponenten wollen wir die Energiedichte, die Zyklenstabilität und die Gesamteffizienz für verschiedene Anwendungen verbessern.

Unsere FuE-Angebote im Bereich »Entwicklung von neuartigen Elektrolyten und Additiven« umfassen:

• Elektrolyt-Screening zur systematischen Bewertung verschiedener Formulierungen hinsichtlich Leistung und Stabilität
• Elektrolytentwicklung mit Hilfe von maschinellem Lernen zur Optimierung von Zusammensetzungen und zur effektiven Vorhersage von Leistungsergebnissen
• Entwicklung von Additivformulierungen zur Entwicklung maßgeschneiderter Additive, die die Elektrolyteigenschaften und die Gesamtleistung von Batterien verbessern
• Kompatibilitätstests zur Bewertung der Wechselwirkung von Elektrolyten mit verschiedenen Elektrodenmaterialien