Advanced Battery Technology Center (ABTC)

Leistungsstarke und nachhaltige Batteriezellen

Im Mittelpunkt des ABTC steht die gemeinsame Forschung von TU Dresden und Fraunhofer IWS an Batteriezellen zukünftiger Generationen.
© Fraunhofer IWS
Im Mittelpunkt des ABTC steht die gemeinsame Forschung von TU Dresden und Fraunhofer IWS an Batteriezellen zukünftiger Generationen.

Die Ziele des »Advanced Battery Technology Center« (ABTC) sind die Entwicklung neuer Werkstoffe und innovativer Technologien für leistungsstarke und nachhaltige Batteriezellen. Expertise in der Batteriechemie, Innovationen in der Elektrodenproduktion und moderne Technologien zur Zellfertigung werden hier interdisziplinär zusammengeführt.

Im ABTC arbeiten Forschende der Technischen Universität Dresden (Lehrstuhl für Anorganische Chemie I, Schwerpunkt Material- und Elektrochemie) mit den Expertinnen und Experten für Werkstoff-, Oberflächen- und Lasertechnologien des Fraunhofer IWS zusammen unter einem Dach. Dieses Team erarbeitet neue Lösungsansätze vom Material über Herstellungsverfahren bis hin zur Prototypzelle und deren Bewertung. Der Fokus liegt auf Lithium-basierten Hochenergiezellen, wie Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel und Festkörperbatterien. So bildet das ABTC die ganzheitliche Prozesskette zur Entwicklung neuer Batteriezellen ab und überführt neue Forschungsergebnisse aus dem Labor in anwendungsnahe Prototypen.

Veranstaltungshinweis

 

Online-Workshop

9. Workshop
»Lithium-Schwefel-Batterien«

28.–29. November 2022

Abteilung

Chemische Oberflächen- und Batterietechnik

Kompetenzen des Fraunhofer IWS in der Batterietechnik auf einen Blick

Forschungsschwerpunkte

Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Zelle im PHEV-1-Format, gefertigt mit Lasertechnologien des Fraunhofer IWS (Elektrodenkonfektionierung und Laserstrahl-Tab-Schweißen).
© Fraunhofer IWS
Lithium-Ionen-Zelle im PHEV-1-Format, gefertigt mit Lasertechnologien des Fraunhofer IWS (Elektrodenkonfektionierung und Laserstrahl-Tab-Schweißen).

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) und damit auch die Elektromobilität haben den Weg in verschiedene Massenmärkte gefunden. Forschungsschwerpunkte ergeben sich in der weiteren Steigerung von Leistungseigenschaften – insbesondere der Energiedichte – und in der kostengünstigen sowie umweltfreundlichen Produktion.

Ein Lösungsansatz des ABTC zur Steigerung der Energiedichte ist der Einsatz von reinen (100 Prozent) Si-Anoden. Im Rahmen des Projektes KaSiLi werden NMC/Si-Batteriezellen entwickelt. Auf Basis von grundlegendem Materialverständnis und Erfahrungen zur Auslegung der Batteriezellen werden Multilagen-Pouchzellen aufgebaut und anwendungsnah bewertet.

Als Beitrag zur kostengünstigen sowie umweltfreundlichen Produktion entwickeln die Forschenden des ABTC das DRYtraec®-Verfahren. Dieser innovative Trockenbeschichtungsprozess ermöglicht die Herstellung von Batterieelektroden ohne Lösungsmittel und Trocknungsprozesse.

Lithium-Schwefel-Batterien

Von den Forschenden des ABTC entwickelte Lithium-Schwefel-Batteriezelle (5 Ah).
© Fraunhofer IWS
Von den Forschenden des ABTC entwickelte Lithium-Schwefel-Batteriezelle (5 Ah).

Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S) zeichnen sich durch eine hohe spezifische Energie (aktuell bis 450 Wh/kg) und potentiell geringe Materialkosten aus. Die komplexe Zellchemie erfordert eine Weiterentwicklung von Zellkomponenten und deren Abstimmung aufeinander. Das ABTC hat hierfür zahlreiche eigene Konzepte erarbeitet und patentiert.

Mit speziellen Elektrolytrezepturen wird die Bildung von Polysulfiden reguliert und Kohlenstoffe bilden das leitfähige Gerüst für die Umwandlung des Schwefels. Mittels Feststoffelektrolyten wird zudem die Feststoff-Li-S-Batterie als besonders vielversprechendes Zellsystem erforscht. Lithium-Metall-Anoden werden hergestellt, modifiziert und automatisiert in der Zellassemblierung verarbeitet. Die Entwicklungen werden in Prototypzellen mit bis zu 25 Ah Kapazität demonstriert und anwendungsnah erprobt. 

Festkörperbatterien

Pouchzellen mit sulfidischen Festelektrolyten in unterschiedlichen Zellformaten.
© Fraunhofer IWS
Pouchzellen mit sulfidischen Festelektrolyten in unterschiedlichen Zellformaten.

Feststoffelektrolyte ermöglichen eine erhöhte Sicherheit und eine deutliche Steigerung der Energiedichte durch den Einsatz von metallischen Lithium-Anoden. Insbesondere Festkörperbatterien auf Basis sulfidischer Ionenleiter gelten als mögliche Nachfolgetechnologie der heutigen Lithium-Ionen-Batterien in der Automobilanwendung.

Herausforderungen bestehen dabei an den mechanisch/chemisch instabilen Grenzflächen zwischen Elektrolyt und Elektrodenmaterialien. Im ABTC werden innovative Lösungsansätze für diese großen Herausforderungen entwickelt und in Prototypzellen demonstriert. Zu den Materialinnovationen gehören Kohlenstoff- und Silizium-Anoden, die einen Betrieb bei Raumtemperatur ohne Dendritenbildung ermöglichen, wie erste Demonstrationen an Pouchzellen belegen. 

Kooperationspartner

© TU Dresden
Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Silizium-Kohlenstoff-Komposits.
© Fraunhofer IWS
Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Silizium-Kohlenstoff-Komposits.

Technische Universität Dresden 

Die Professur für Anorganische Chemie I von Prof. Dr. Stefan Kaskel an der Technischen Universität Dresden erforscht moderne anorganische Materialien für die Energiewende. Im Mittelpunkt stehen Batterie- und Photovoltaikmaterialien sowie die Umwelt- und Elektrokatalyse. Von den Grundlagen bis hin zur industriellen Anwendung reicht das Spektrum des interdisziplinär forschenden Teams mit über 50 Mitarbeitenden.

Im ABTC arbeiten die Forschenden der TU Dresden und des Fraunhofer IWS zusammen unter einem Dach. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Material- und elektrochemischen Fragestellungen rund um Lithium-basierten Batteriezellen wie Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel- und Festkörperbatterien. Gemeinsame Projekte zu diesen Themenfeldern finden Sie unter Projekte.

Highlights der Zusammenarbeit

Die grundlegende Materialforschung zur Lithium-Schwefel-Batterie konnte in den zurückliegenden Jahren gemeinsam zu Prototypzellen mit einer spezifischen Energie von mehr als 450 Wh/kg geführt werden. Diese Batteriezellen sind damit deutlich leichter als heutige Lithium-Ionen-Zellen (max. 260 Wh/kg).

Für die Festkörperbatterien auf Thiophosphat-Basis wurden neue Anodenkonzepte entwickelt, die inzwischen in ersten Pouchzellen demonstriert werden können. Durch Silizium-Anoden gelingt ein stabiler Betrieb von NMC/Si-Vollzellen bei Raumtemperatur. Die Ergebnisse werden in zahlreichen Veröffentlichungen in wissenschaftlichen Fachjournalen publiziert.

Kompetenzen des Fraunhofer IWS

Chemische Oberflächen- und Batterietechnik

Am Fraunhofer IWS arbeitet ein interdisziplinäres Team an Lösungsansätzen für die Batterie von morgen – vom Material bis hin zur Zelle.
© Siegfried Michael Wagner
Am Fraunhofer IWS arbeitet ein interdisziplinäres Team an Lösungsansätzen für die Batterie von morgen – vom Material bis hin zur Zelle.

Mit Werkstoff- und Prozessinnovationen werden in der Abteilung Chemische Oberflächen- und Batterietechnik Lösungsansätze für nachhaltige und hochleistungsfähige Batteriezellen entwickelt. So kommt beispielsweise die Elektrodenproduktion durch das neue DRYtraec®-Verfahren ohne herkömmliche Lösungsmittel und energieintensive Trocknungsschritte aus.

Für die Fertigung von Lithium-Metall-Batterien bieten die Forschenden effiziente Prozesslösungen von der Herstellung dünner Lithium-Schichten bis hin zur automatisierten Assemblierung der Zellen. Die materialwissenschaftliche Erforschung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ist die Grundlage für eine ganzheitliche Entwicklung von Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel- und Festkörperbatteriezellen.

Das Leistungsangebot umfasst:

  • Elektrochemische Charakterisierung von Batteriematerialien und Korrelation mit strukturellen Eigenschaften
  • Prozessinnovationen für die Elektroden- und Batteriezellfertigung
  • Aufbau und Bewertung von Batteriezellen

Gas- und Partikelfiltration

BMWi-Projekt ReCycle: Aufgetrennte Ultrakondensatoren zur Materialanalyse.
© Fraunhofer IWS
BMWi-Projekt ReCycle: Aufgetrennte Ultrakondensatoren zur Materialanalyse.

In industriellen Prozessen treten häufig gefährliche Gase und Partikel in die Umgebung aus. Unter anderem beim Laserschweißen, -abtragen oder -schneiden können diese im Kleinstformat entstehen. Die Arbeitsgruppe Gas- und Partikelfiltration verfügt über messtechnische Lösungen, um partikelhaltige Atmosphären objektiv zu bewerten. Forschungsschwerpunkte sind neben der Analyse von Prozessabgasen u. a. auch die Untersuchung atmosphärischer Aerosole, das Bewertung der Luftqualität von Innenräumen sowie Filtereffizienztests.

Das Fraunhofer IWS beteiligt sich zudem an der Entwicklung ökologisch und ökonomisch effizienter Prozesse für das Batterierecycling. Im Projekt ReCycle detektieren die Forschenden des Fraunhofer IWS schädliche Gas- und Partikelemissionen während des mechanischen Aufschlusses. Der Fokus liegt dabei auf verschiedenen Lithium-Ionen-Batterien und Supercaps. Gemeinsam mit Industriepartnern wird so ein Filter-Prototyp entwickelt und im Prozess unter realen Bedingungen erprobt.

Das Leistungsangebot umfasst:

  • Detektion von Emissionen beim Batterierecycling
  • Entwickeln und Testen von Filterlösungen für Recyclingprozesse
  • Resynthese von recyceltem Kohlenstoffmaterial
  • Fertigen von Batteriezellen unter Verwendung von Sekundärmaterialien

Laserschweißen

Erprobung eines Laserschweißverfahrens für Batteriegehäuse im Rahmen des EU-Förderprojekts ALBATROSS.
© Fraunhofer IWS
Erprobung eines Laserschweißverfahrens für Batteriegehäuse im Rahmen des EU-Förderprojekts ALBATROSS.

In der Transformation von fossil betriebenen zu batterie-elektrisch betriebenen Fahrzeugantrieben sind großserientaugliche Produktionsprozesse erforderlich. Laserschweißprozesse weisen eine hohe Marktdurchdringung im Automobilbau auf und sind damit auch für neue Antriebskonzepte attraktiv. Die Arbeitsgruppe Laserschweißen verfügt über die geeignete Systemtechnik und das prozesstechnische Know-how, um qualitätsgerechte Fügeverbindungen zu entwickeln, zu testen und in das industrielle Umfeld zu überführen. Das Leistungsangebot umfasst sowohl die Entwicklung von Kontaktierungen für Batteriezellen bis hin zur vollständigen Batterie als auch Lösungen für großformatige Batteriekästen.

Das Fraunhofer IWS entwickelt technologieübergreifend kostengünstige, effiziente und werkstoffangepasste Schweißprozesse, Forschungsschwerpunkte sind:

  • Entwicklung von werkstoff- und belastungsangepasste Fügestellendesigns
  • Durchführung von Machbarkeitsstudie für laserbasierte Schweißprozesse
  • Charakterisierung und Evaluierung von Verbindungseigenschaften
  • Herstellung von Prototypen und Kleinserien

Die Forscher entwickeln im Rahmen des EU-Förderprojekts ALBATROSS innovative laserbasierte Fügetechnologien und Designkonzepte für Leichtbau-Zellverbindungen und den Aluminium-Batterieträger. Gemeinsam mit den Projektpartnern verfolgen sie das Ziel, Leichtbaulösungen, die auf modularen Multimaterialsystemen für Batteriemodule und -böden basieren, mit Hilfe schneller und kostengünstiger Verfahren zu entwickeln, wobei Demontage, Recycling und Wiederverwendung als Teil eines Ökodesign-Konzepts vorgesehen sind.

Laserschneiden

Laserstrahl-geschnittene Anoden für verschiedene Batteriezellformate. Der automatisierte Prozess erlaubt eine flexible Anpassung an verschiedene Zellformate. So lassen sich Anoden kundenspezifisch konfektionieren.
© Fraunhofer IWS
Laserstrahl-geschnittene Anoden für verschiedene Batteriezellformate. Der automatisierte Prozess erlaubt eine flexible Anpassung an verschiedene Zellformate. So lassen sich Anoden kundenspezifisch konfektionieren.

Die Arbeitsgruppe Laserschneiden ist mit moderner Anlagentechnik ausgestattet, die zur Realisierung industrierelevanter Laserschneidtechnologien in der Batteriefertigung notwendig ist. Angepasst an die jeweilige Schneidaufgabe wird hierbei auf geeignete Laserquellen (10,6 µm oder 1,06 µm; Dauerstrich- oder Pulslaser) und Verfahren wie das Sublimationsschneiden, Remote-Schneiden oder Schmelzschneiden zurückgegriffen.

Typische Schneidaufgaben sind Separatoren für Anoden und Kathoden, Konnektoren sowie Batteriegehäuse und diverse Abdeckungen. Damit sind die Forschenden in der Lage, neue industrietaugliche Prozesse für die Batterietechnik zu entwickeln und zum Hochrate-Produktionsverfahren auf zu skalieren.

Neben Entwicklungsaufträgen für die Abteilung Chemische Oberflächen- und Batterietechnik werden diese Forschungsdienstleistungen vor allem von Maschinenbauern nachgefragt, um applikationsangepasste Lösungen für die Batteriefertigung zu entwickeln. Start- und Endpunkt der Forschungsdienstleistungen können frei gewählt werden und reichen von der Ideenfindung über labortechnische Nachweise und Optimierungen bis hin zur Begleitung des Starts der Serienproduktion.

Video: Forschung an den Batterien der Zukunft im Advanced Battery Technology Center (ABTC)

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Der virtuelle Rundgang durch das Advanced Battery Technology Center (ABTC) in Dresden stellt Schlüsseltechnologien für die Batteriesysteme von morgen vor. Im Mittelpunkt stehen die Entwicklung neuer Batterien mit höherer Energiedichte sowie Prozesstechnologien für eine umweltfreundliche und kostengünstige Herstellung von Batteriezellen mit dem führenden Trockenfilmverfahren DRYtraec®.

Projekte

FestBatt

BMBF-Kompetenzcluster für Festkörperbatterien (FestBatt): FB2-Thio – Zellplattform Thiophosphate (FKZ: 03XP0430A), FB2-Prod – Querschnittsplattform Produktion (FKZ: 03XP0432E), Laufzeit: 11/2021-10/2024, BMBF

ecoLiga

Recycling und Resynthese von Kohlenstoffmaterialien aus Lithium-Batterien – Rückgewinnung, Aufbereitung, Wiedereinsatz und angepasstes Zelldesign (BMBF: FKZ: 03XP0354D)

KaSiLi

Strukturmechanische Kathodenadaption an Silizium- und Lithium-basierte Anodenwerkstoffe, Laufzeit: 11/2019–10/2022, (BMBF: FKZ 03XP0254 A-D)

LISA

Lithium sulphur for Safe road electrification, Laufzeit: 01/2019–07/2022, (Horizon2020: FKZ: 814471)

SLIM-FIT

Entwicklung von Li-S-Battteriezellen auf Basis von CNT-Stromkollektoren, Laufzeit: 07/2022–06/2024, (Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst: FKZ: 100589068) 

SoLiS

Entwicklung von Lithium-Schwefel Feststoffbatterien in mehrlagigen Pouchzellen, Laufzeit 07/2021–06/2024, (BMBF: FKZ: 03XP0395B)

News und Medien

 

Presseinformation / 12.5.2022

DRYtraec® soll Technologieplattform werden

Bund fördert Trockenbeschichtungstechnologie des Fraunhofer IWS in Millionenhöhe

 

Presseinformation / 1.9.2021

Umweltfreundliche Herstellung von Batterieelektroden

Nachhaltige Batterieproduktion 

 

Presseinformation / 5.8.2020

Feststoffbatterie soll Sprung in die industrielle Anwendung gelingen