Innovative Herstellverfahren und Zellarchitekturen für Batterien

Am Fraunhofer ISE entwickelter Batteriespeicher mit wässriger Zink-Ionen-Zelltechnologie.

Batteriezelltechnologie

Im Themenfeld der Batteriezelltechnologie forschen wir entlang der gesamten Wertschöpfungskette von neuen Materialien über Herstellungsverfahren bis hin zu innovativen Zellarchitekturen. Unsere technische Ausstattung umfasst verschiedene Prozessgeräte, Gloveboxen und Charakterisierungsinstrumente, um komplette Batteriezellen herstellen und charakterisieren zu können. Wir begleiten unsere Arbeiten mit technoökonomischen Betrachtungen und Zellsimulationen, um die Wirtschaftlichkeit und technologische Wirksamkeit der verschiedenen Lösungsansätze zu evaluieren.

Unsere Kernbetätigungsfelder sind:

Beiträge zur kontinuierlichen Weiterentwicklung der Lithium-Ionen Batteriezelltechnologie

Die Lithium-Ionen Technologie stellt die gegenwärtig dominante Technologie bei der Realisierung von Traktionsbatterien sowie für Batterien unterschiedlichster Anwendungsbereiche von dem Einsatz in Industrieanwendungen bis zur Unterhaltungselektronik dar. Diese Technologie entwickelt sich inkrementell in einem evolutionären Prozess. In diesem Kontext erforschen wir beispielsweise Silicium-basierte Anodenmaterialien als drop-in replacement Technologie für Lithium-Ionen Batteriezellen, um graphitbasierte Anoden zu ersetzen oder durch Beimischung von Siliciumkompositmaterialien zu verbessern.

Batteriezellen mit wässrigen Elektrolyten zur stationären Energiespeicherung

Batterien mit wässrigen Elektrolyten sind unbrennbar, können mit hochverfügbaren und nachhaltigen Materialien aufgebaut werden und eigenen sich für den Einsatz in der stationären Energiespeicherung. Am Fraunhofer ISE werden verschiedene Konzepte entwickelt und evaluiert. So untersuchen wir beispielsweise Batteriezellchemien auf Basis von Natrium- oder Zink-Ionen und entwickeln komplette Fertigungsabläufe für diese Zellen.

Batterien mit Feststoffelektrolyten

Im Themenfeld der Feststoffelektrolyten konzentrieren wir uns gegenwärtig auf die Verarbeitung von sulfidischen Materialien. Wir entwickeln dabei Fertigungsprozesse, um diese Materialien in Batteriezellen zu integrieren und dabei sogenannte all-solid-state Batterien zu realisieren.

Spezialarchitekturen für Klein- und Kleinstbatterien für Sensorik sowie IoT-Anwendungen

Mittels Drucktechnologie realisieren wir kleine gedruckte Batteriezellen und entwickeln anpassbare Zelldesigns für verschiedene Anwendungen.

Technoökonomische Betrachtungen

Auf Basis eines detaillierten Kalkulationswerkzeuges aus der Photovoltaikforschung, das wir für die Batteriefertigung adaptiert haben, entwickeln wir Kostenmodelle für Batterieherstellungsprozesse und Batteriezellstrukturen. Wir betrachten Materialverfügbarkeiten und evaluieren neue Materialfertigungsprozesse und Materialien für den Ersatz gegenwärtig kritischer Rohstoffe.

In Ergänzung zu unserer Forschung und Entwickung zum Thema Batteriesysteme für stationäre und mobile Anwendungen bieten wir unseren Kunden Prüf- und Zertifizierungsverfahren in unserem Zentrum für Energiespeichertechnologien und -systeme:

  • Testen und Charakterisieren
    Wir prüfen auf einer Fläche von 400 m² Batterien und Systeme auf der Basis von z. B. Blei, NiMH, Li-Ionen-Zellen sowie Hochtemperaturbatterien und Doppelschichtkondensatoren. Die Laborausstattung beinhaltet Batterietestsysteme und Impedanzspektrometer, mit denen nach Norm oder nach Kundenanforderung in der Klimakammer oder im Wasserbad getestet wird.
  • Alterungsuntersuchungen
    Für Alterungsuntersuchungen und Lebensdaueranalysen von Batterien und Batteriesystemen bieten wir mehrmonatige Langzeittests an. Dies beinhaltet sowohl die Untersuchung der Zyklenlebensdauer als auch die Analyse der kalendarischen Alterung. Dafür stehen ca. 180 Testkreise in verschiedenen Leistungsklassen von der Knopfzelle bis zum Großspeicher zur Verfügung.

Daniel Biro

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Dr. Daniel Biro

Batteriezelltechnologie

Fraunhofer ISE
Heidenhofstr. 2
79110 Freiburg

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