Projektbeispiele für Batterie-Forschung bei Fraunhofer

Die Fraunhofer-Gesellschaft ist im Rahmen der Fraunhofer-Allianz Batterien mit 19 Instituten 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.

Materialforschung für höhere Energiedichten

MAVO »LiScell« – Höhere Energiedichte durch Silizium-Anoden

Im Rahmen des Projekts MAVO LiScell werden Batteriezellen auf der Basis neuer Kathoden, Elektrolyten und Anoden entwickelt. Neben der Materialentwicklung werden auch skalierbare Herstellungsverfahren für Anoden und Kathoden betrachtet. In diesem Zusammenhang hat das Fraunhofer FEP eine neue Vakuum-Beschichtungstechnologie entwickelt. Dabei werden Silizium-Schichten mit einer speziellen Mikrostruktur im sogenannten Rolle-zu-Rolle-Verfahren beidseitig auf Kupfer-Stromkollektorfolien abgeschieden. Sowohl für Lithium-Schwefel- als auch für Lithium-Ionen-Zellen bringt dieses neuartige Anodenmaterial in punkto Energiedichte eine deutliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Lösungen. Zudem ist die skalierbare Beschichtungstechnologie besonders kostengünstig.

»SePaLiS« – Lithium-Schwefel erhöht die Energiedichte

Die Lithium-Schwefel-Batterie ist aufgrund der im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien hohen Energiedichte eine sehr attraktive Technologie, da mit ihr potenziell höhere Reichweiten mit Elektrofahrzeugen erreicht werden können. Der Einsatz von Schwefel als Elektrodenmaterial senkt auch die Materialkosten deutlich. Eine besondere Herausforderung der Lithium-Schwefel-Batterien ist die geringe Lebensdauer, weshalb sie bisher noch nicht zum Einsatz kommen. Daher ist Forschung an Elektrolyt, Separator und den Elektroden sowie an einem geeigneten Zelldesign unabdingbar, um die Lithium-Schwefel-Batterie im Markt zu etablieren. Hierbei spielen Elektrolytmenge und -zersetzung, Beschichten der Separatoren, Schwefelausnutzung und Zersetzung der Lithium-Anode eine entscheidende Rolle. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS arbeitet zusammen mit Partnern im Projekt »SePaLiS« an neuen Konzepten für Separator, Kathode und Zelldesign mit dem Ziel, eine Prototypzelle für automobile Anwendungen zu entwickeln, die eine Energiedichte von 400 Wh/kg zeigt und eine Lebensdauer von 500 Zyklen aufweist.

Fraunhofer IWS, Zentrum Batterieforschung

Neue Batterietechnologien

© Foto Fraunhofer IKTS

Entwicklung von neuartigen Bipolarfolien im Technikum des Fraunhofer IKTS.

»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 aufwändige 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. 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 werden Magnesiumsulfid-Batterien entwickelt. Die Magnesiumsulfid-Batterie ist damit eine kostengünstige Alternative, die vermutlich 150 Wh/kg praktisch erreichen kann.

Energiespeicher – Forschung für die Energiewende

Zellproduktion

»Cell-Fi« – Optimierte Elektrolytbefüllung durch Simulation

Nachdem die Batteriezellen zusammengebaut sind, müssen sie noch mit flüssigem Elektrolyt befüllt werden, bevor sie geladen und entladen werden können. Der Elektrolyt dient dem Ionentransport innerhalb der Zelle und ist damit für die Funktionalität einer Batterie entscheidend. Damit die Kapazität der Batterie bestmöglich ausgenutzt werden kann, muss sich der Elektrolyt gleichmäßig in der Zelle verteilen und alle Komponenten benetzen. Dieser Prozess ist abhängig vom Zelldesign und bis heute noch richtig verstanden. Daher führt das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftmathematik ITWM im Verbundprojekt »Cell-Fi« Simulationen zur Elektrolytbefüllung durch und leitet daraus effiziente Verfahren für die Zellfertigung ab, um Zeit und damit Kosten bei der Batterieproduktion einzusparen.

Fraunhofer ITWM, Abteilung Elektrochemie und Batterien 

»FlexJoin« – Flexible Produktion von Batteriemodulen

Für die Elektromobilität existieren bisher keine Standardbatterien. Jeder Automobilhersteller verfolgt seine eigenen Konzepte und passt die Batterie individuell an das Fahrzeug an. Somit unterscheiden sich die Batterien derzeit in Größe, Form und Zellchemie. Daher sind für jeden Batterietyp unterschiedliche Fertigungsverfahren und Produktionslinien erforderlich und damit die Kosten für heutige Batterien hoch. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT arbeitet im Projekt »FlexJoin« gemeinsam mit Partnern daran eine universelle Fertigungstechnologie zu entwickeln. Die Kontaktierung bzw. Verschaltung der einzelnen Zellen ist hierbei der Schlüssel zum Erfolg. Durch den Einsatz der Lasertechnologie und einer entsprechenden Softwaresteuerung können die einzelnen Zellen individuell miteinander verschweißt und somit die Fertigungsverfahren der Batterien sehr flexibel gestaltet werden. Für den Einsatz dieser Verfahren in der Industrie sollen im Rahmen des Projekts ebenso Standardisierungen und ein Anwendungskatalog geschaffen werden.

Fraunhofer ILT, FlexJoin

»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.

Fraunhofer IPA, Leitthema Energiespeicher

Batteriesysteme

Der Redox-Flow-Großbatteriespeicher wird als Pilotanlage auf dem Gelände des Fraunhofer ICT in Pfinztal errichtet.
© Foto Fraunhofer ICT

Der Redox-Flow-Großbatteriespeicher wird als Pilotanlage auf dem Gelände des Fraunhofer ICT in Pfinztal errichtet.

Im Labor am Fraunhofer ICT werden die Materialien für Redox-Flow-Batterien untersucht und weiterentwickelt.
© Foto Fraunhofer ICT

Im Labor am Fraunhofer ICT werden die Materialien für Redox-Flow-Batterien untersucht und weiterentwickelt.

Der neue Prüfstand im Fraunhofer LBF kombiniert mechanische Vibrationsbelastung und elektrothermische Belastung zu einem realitätsnahen Lastprofil.
© Foto Fraunhofer LBF

Der neue Prüfstand im Fraunhofer LBF kombiniert mechanische Vibrationsbelastung und elektrothermische Belastung zu einem realitätsnahen Lastprofil.

Redox-Flow: Akkus mit externem Tank

Redox-Flow-Batterien sind insbesondere für stationäre Energiespeicherung interessant. Aufgrund der Speicherung der Energie in einem externen Tank kann die Batterieleistung unabhängig von der Kapazität skaliert werden. Zudem sind die Redox-Flow-Batterien sehr effizient und potenziell langlebiger als herkömmliche Akkus.

Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT beschäftigt sich mit der Entwicklung von Redox-Flow-Batterien auf Basis von Zink-Brom und Wasserstoff-Brom. Im Rahmen des Projekts »RedoxWind« wurde ein Redox-Flow-Großspeicher mit 2 MW und bis zu 20 MWh aufgebaut, der mit einer 2 MW Windkraftanlage  zur Speicherung regenerativer Windenergie gekoppelt ist. In diesem Applikationszentrum werden die Batterieperipherie und Infrastruktur zur Einbindung von solchen Speichern in das Stromnetz untersucht.

»InTeLekt« – Ohne Leistungselektronik keine zuverlässigen Elektroautos

Die leistungselektronischen Komponenten regeln in Elektrofahrzeugen die Energieversorgung der Batterie, der Antriebseinheit und der Bordelektronik. Damit sind sie im alltäglichen Einsatz des E-Autos hohen mechanischen und elektrischen Lasten ausgesetzt, wodurch die Zuverlässigkeit und Lebensdauer solcher Komponenten eingeschränkt werden kann. Daher arbeiten die Partner im Projekt »InTeLekt« daran neue integrierte Prüf- und Testumgebung für Leistungselektroniken zu entwickeln, um diese zuverlässiger und sicherer zu gestalten. In diesem Zusammenhang soll eine neue Simulationsumgebung entstehen, mit der Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Leistungsmodule schneller beurteilt werden können. Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF ist maßgeblich an diesem Projekt beteiligt.

Zentrum für Systemzuverlässigkeit Elektromobilität / ZSZ-e

»MiBZ« – Intelligente Zellen für die Elektromobilität und die stationäre Speicherung

Neben der Elektromobilität werden stationäre Energiespeicher zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit immer wichtiger. Für eine höhere Nutzungsdauer von Batterien ist ihre Weiterverwendung der sogenannte »second use« ein interessanter Ansatz. Wenn die für die Elektromobilität konzipierten Batterien nach fünf Jahren nicht mehr die geforderte Energiedichte aufweisen, sind sie noch lange nicht kaputt und können normalerweise in anderen Anwendungen wie beispielsweise in der stationären Energiespeicherung weiter verwendet werden. Hierfür benötigen die Batterien keine sehr hohen Energiedichten mehr, vielmehr ist es entscheidend, dass sie noch zuverlässig und sicher für viele Jahre funktionieren. Um dieses Anwendungskonzept genauer zu untersuchen wird im Projekt »MiBZ« die Integration von Elektronik und Sensorik in die Batteriezelle und das Batteriesystem adressiert, um multifunktionale, intelligente Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln. Somit kann die Batterie dauerhaft überwacht, die Zustände der Zellen können bestimmt und eine höhere Sicherheit kann gewährleistet werden. Das Fraunhofer-Institut für Intergrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB ist Partner des Projekts.

Fraunhofer IISB, Energieelektronik