Elektrochemische Energiespeicher

Vor dem Hintergrund einer zunehmenden Sektorenkopplung spielt die Umwandlung von elektrischer in chemische Energie eine entscheidende Rolle. Ein Forschungsschwerpunkt der Fraunhofer-Gesellschaft im Geschäftsbereich ENERGIE SPEICHER liegt daher im Bereich der elektrochemischen Energiespeicher, etwa für stationäre Anwendungen oder die Elektromobilität. 

Bis zum Jahr 2030 wird sich die Batterieproduktion laut einer Studie des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung ISI von heutigen 38 Gigawattstunden pro Jahr auf 576 Gigawattstunden allein in Europa um das fünfzehnfache erweitern. Vor dem Hintergrund solch immenser Wachstumsprognosen wird der Aspekt der Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft ebenso wichtig wie die technologische Innovation und Funktionalität.

Unser Angebot erstreckt sich entlang der gesamten Wertschöpfungskette von der Entwicklung von Batterietechnologien (Li-Ionen: Festkörper, LiS, LiO2, Na-Ionen, Redox-Flow), Material und Komponenten über das Zelldesign bis hin zur Verfahrens- und Fertigungstechnik und der Systementwicklung und -integration. 

Kompetenzen der Fraunhofer-Allianz Energie im Bereich Elektrochemische Energiespeicher

Batterietechnologien (Li-Ionen: Festkörper, LiS, LiO2, Na-Ionen, Redox-Flow (RFB))

Vor dem Hintergrund der Energiewende sind leistungsfähige Batterien zu Schlüsselkomponenten mobiler und stationärer elektrisch betriebener Anwendungen avanciert. Bei der technischen Umsetzung neuartiger stationärer Batteriekonzepte bilden Kostenreduktion, Effizienz, Langlebigkeit und Zyklenstabilität sowie Sicherheit im Betrieb die wichtigsten Merkmale. Für elektromobile Anwendungen werden Batteriekonzepte anhand ihrer Kompaktheit und Energiedichte sowie anhand der Kosten und Betriebssicherheit bewertet. Für beide Anwendungsfälle beraten die Expertinnen und Experten der Fraunhofer-Energieforschung Kunden und entwickeln passgenaue Lösungen. Ebenso wichtig wie technische Funktionalität ist die Nachhaltigkeit von Technologien und Prozessen, beispielsweise in der Entwicklung von Natrium-Batterien oder Redox-Flow-Batterien aus lokal verfügbaren, nicht strategischen Grundmaterialien oder durch effiziente Fertigungsverfahren für Lithium-Batterien oder Redox-Flow-Batterien. Auch am Ende des Produktlebenszyklus steht die ökonomischen und ökologischen Optimierung in Form von Best Practices im Recycling im Fokus unseres Angebots.

Projekte aus dem Kompetenzbereich

 

DigiBattPro 4.0 - BW

Ziel des Projekts:  Durch die Digitalisierung des Gesamtprozesses der Batteriezellenproduktion soll ein signifikanter Beitrag zur Steigerung/Stabilisierung der Produktqualität von Lithium-Ionen Batteriezellen geleistet werden.

 

FEST BATT - 21+1 Projekte

Das Teilvorhaben fokussiert auf die Herstellung und Verarbeitung des Phosphatfestelektrolyten LATP (Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3). 

 

ELuStat

Im Rahmen des Projektes entsteht eine neuartige Eisen-Luft-Batterie. Sie soll eine Energiedichte von 250 Wh/kg sowie einen Wirkungsgrad von mindestens 60 Prozent besitzen und 500 volle Lade-/Entladezyklen einsatzfähig sein. 

 

VAFLOW®

Das Projekt VAFLOW® »Einsatz eines Vanadiumelektrolyts auf Basis von Sekundärrohstoffen in Redox-Flow-Batteriespeichersystemen« möchte aktuell teils ungenutzt entsorgte vanadiumhaltige Reststoffe einer stofflichen Nutzung zuzuführen.

 

 

KOBIBATT

Die Hauptzielsetzung des Vorhabens »KOBIBATT« ist die Entwicklung eines Batteriesystems mit höherer Energiedichte und größerer Sicherheit bei geringeren Kosten. In der Batterieforschung werden diese Ziele bislang als gegenläufig und unvereinbar gesehen. 

Material- und Komponentenentwicklung

Entwicklung, Analyse und Optimierung von Materialkomponenten bilden die Grundlage für die Energiespeicher der Zukunft. Bei stationären Anwendung stehen Kriterien wie Langlebigkeit, eine hohe Zyklenstabilität, geringe Kosten und hohe Sicherheit im Fokus der Expertinnen und Experten. Für die Elektromobilität von morgen sind hingegen Speicher mit hoher Energie - und Leistungsdichte – sprich kürzeren Ladezeiten – bei geringeren Kosten und höherer Sicherheit entscheidend. Für unsere Kunden optimeren wir Komponenten und Materialien, deren Kombinationen für Redox-Flow-Batterien und Hochtemperaturbatterien sowie für Lithium-Schwefel-Zellen, und Festkörperbatterien. Darüber hinaus bieten wir Materialtests in standardisierten Systemen, anhand derer physikalische Parameter erfasst und mit dem aktuellen Stand der Speichertechnik verglichen werden können.

Projekte aus dem Kompetenzbereich

 

NESSI

Neuartige Si-Anoden für Solid-State-Lithium-Ionen-Batterien

 

SONAR

Modellierung für die Suche nach neuen Aktivmaterialien für Redox-Flow-Batterien. (es folgen englische Informationen)

 

Premiere: Weltgrößte NaNiCl2-Zellen im cerenergy®-Batteriemodul

Zelldesign

Das Zelldesign bzw. -format (Pouchzelle, prismatische oder zylindrische Zelle) spielen bei der Zellproduktion und bei der Systementwicklung sowie -integration eine wesentliche Rolle. Mit der Auswahl des Zelldesigns sind je nach Anwendung mehrere relevante Aspekte verbunden. Aus diesem Grund müssen die Anforderungen an das Zelldesign fallspezifisch und systematisch bewertet werden. Expertinnen und Experten der Fraunhofer-Energieforschung beschäftigen sich daher mit der Betrachtung und Auslegung des Zelldesigns im Hinblick auf die Verwendung in Batteriemodulen und -systemen und berücksichtigen hierbei die systemische Verflechtung der einzelnen Entscheidungskriterien in Bezug auf Energiedichte, Sicherheit und Kosten.

Projekte aus dem Kompetenzbereich

 

ASTRABAT

Für den wachsenden Markt der elektrischen Mobilität muss Europa eigene innovative Batteriekonzepte und Produktionsketten entwickeln, um eine stärkere internationale Wettbewerbsfähigkeit zu erlangen. Mit diesem Ziel startet nun ASTRABAT...

 

Printsolid - Druckbare Solid-State-Lithium-Batterien.

Verfahrens- und Fertigungstechnik

Entlang der gesamten Batteriewertschöpfungskette stehen verschiedenste Verfahren und Prozesse zur Verfügung, die unsere Expertinnen und Experten erforschen, weiterentwickeln und optimieren. Unser Angebot umfasst die gesamte Wertschöpfungskette von der Materialsynthese und -modifikation über die Elektrodenherstellung mitsamt der Entwicklung von Beschichtungsverfahren bis hin zur nachhaltigen und innovativen Zellproduktion. Insbesondere für die Überführung von im Labor gewonnenen Ergebnissen in den industriellen Maßstab betreiben die Institute der Fraunhofer-Gesellschaft Technika, in denen die Teilschritte der Produktion von elektrochemischen Zellen skalierbar umsetzbar sind. So können gewonnene Erkenntnisse schnell in die Kleinserienproduktion überführt und das Prozess-Know-how Kunden zur Verfügung gestellt werden. In eigens entwickelten Simulationsumgebungen können Daten zu physikalischen und elektrochemischen Vorgängen in verschiedenen Batterien gewonnen werden. Zudem erlauben unsere Batterie-Emulationen – also virtuelle Batterien – die Optimierung von Batterie-Management-Systemen (BMS). Weiterhin unterstützen die aus den Simulationen und praktischen Untersuchungen gewonnenen Daten bei der Auslegung von Energiespeichern (Speichersystemen) sowie Mini- oder Microgrids und ermöglichen eine technoökonomische Bewertung von Speichertechnologien.

Projekte aus dem Kompetenzbereich

 

EPRox4

Kostenoptimierte und industrialisierte Fertigung von Redox-Flow-Batterien. Innerhalb des öffentlich geförderten Projekts werden Redox-Flow-Batterie-Stacks erforscht und weiterentwickelt...

 

ProZell - Forschungsvorhaben OptiEx

Optimierte Herstellungsverfahren für High-Load Elektroden auf Basis von Extrusionsprozessen.

 

SIMBA

Das Forschungsprojekt »SIMBA« hat das Ziel, eine sichere und kostengünstige All-Solid-State-Natrium-Batterietechnologie für stationäre Anwendungen zu entwickeln. Die Reduzierung des Einsatzes kritischer Materialien steht dabei im Fokus von »SIMBA«. 

Systementwicklung und -integration

Für unsere Kunden entwickeln wir aus Einzelzellen unterschiedlichster Technologien maßgeschneiderte Batteriemodule und -systeme für verschiedenste Anwendungen. Unser Portfolio reicht von der Auslegung des thermischen Managements (Kühlsystem) und des Sicherheitskonzepts über Verbindungstechniken, der Entwicklung von Batteriemanagementsystemen (BMS) und den zugehörigen Algorithmen für die Lade- und Alterungsbestimmung bis hin zu optimierten Lade- und Betriebsführungsstrategien. Die Schnittstellen werden entsprechend ausgelegt, so dass eine leistungs- als auch kommunikationsseitige Systemintegration ermöglicht wird.

Projekte aus dem Kompetenzbereich

 

RedoxWind

Im Rahmen des Projekts  wird ein Redox-Flow-Großbatteriespeicher als Pilotanlage auf dem Gelände des Fraunhofer ICT in Pfinztal entwickelt und errichtet, der direkt an den Gleichstromzwischenkreis einer Windenergieanlage gekoppelt wird.  

 

BattLife

Im Rahmen des Projekts »BattLife« wird am BITC in den kommenden Jahren ein digitalisiertes Test-Center für Batterien und Batteriekomponenten entstehen.

 

hyPowerRange

Im Rahmen des vom BMWi geförderten Projekts »hyPowerRange« wird ein neuartiges Batteriekonzept entwickelt und erprobt, welches eine kostengünstige modulare und flexible Auslegung der Leistung und Kapazität von Elektrofahrzeugbatterien ermöglicht.