Batterieentwicklung am Fraunhofer-Projektzentrum ZESS

Das Fraunhofer-Projektzentrum für Energiespeicher und Systeme ZESS ist eine gemeinsame Forschungs- und Transferplattform der Fraunhofer-Institute IKTS, IST und IFAM mit vier Forschungsschwerpunkten: Lithium-Festkörperbatterien, stationäre Energiespeicher auf Basis von Natrium-Nickelchlorid-Batterien, Wasserstofftechnologien mit hohen Speicherdichten sowie Prüftechniken zur Qualitätssicherung während der Fertigung. Das Land Niedersachsen unterstützt diese Aktivitäten seit 2018.

Für den Forschungsbereich Festkörperbatte­rien wurden am Standort Braunschweig neue Labore konzipiert und ausgestattet. Damit steht nun die Infrastruktur bereit, um unter inerter Atmosphäre Elektrolyte zu syntheti­sieren, Elektroden herzustellen und Zellen zu assemblieren. Die Prozesse werden mit ent­sprechender Prüftechnik begleitend analysiert. Dies umfasst beispielhaft kalorimetrische und rheologische Messungen sowie Laserlichtbeu­gung. Mit diesen Verfahren können luft- und feuchtigkeitsempfindliche Materialien unter­sucht werden. Im Jahr 2023 ist ein Gebäude­neubau geplant, in dem chemische und tech­nische Labore, ein Trockenraum sowie Büro­fläche für 100 Mitarbeitende vorgesehen sind. Dadurch wird die Skalierung der im Projekt­zentrum erprobten Prozesse in den Techni­kumsmaßstab möglich.

Ein Forschungsschwerpunkt des Fraunhofer IKTS am ZESS ist die Entwicklung sulfidischer Elektrolyte inklusive der Erprobung passender Verarbeitungsprozesse und Analyseverfahren. Die entwickelten Elektroden werden evaluiert, um den Zusammenhang zwischen Performance und Materialeigenschaften besser zu verstehen und so die Einzelkomponenten weiter zu optimieren. Hierfür müssen Kristall- und Partikeleigenschaften genau auf die Bedürfnisse im finalen Komposit angepasst werden. Dadurch gelingt es, die elektrochemischen Eigenschaften auf die geforderte Charakteristik der Festkörperzelle abzustimmen. Des Weiteren werden Methoden zur schnellen Charakterisie­rung dieser Elektroden weiterentwickelt. Mit der am ZESS genutzten und für Festelektrolyte optimierten Methode der Chronoampero­metrie1 können die Komponenten schneller und ohne Informationsverlust auf ihre Perfor­mance-Eigenschaften untersucht werden. Der Forschungsprozess wird dadurch effektiver.

Das Fraunhofer IKTS bringt sein umfangreiches Know-how in der Material- und Prozessentwicklung für keramische Energiespeicher in die vier Forschungsfelder des ZESS ein. Das Kompetenzfeld reicht dabei von der Materialentwicklung über die Komponentenfertigung z. B. von Elektroden und Separatoren bis zum Design und der Assemblierung kompletter Bat­teriesysteme. Im Fokus steht dabei stehts eine Skalierung von Verfahren in die industrienahe Fertigung.

Literatur

[1] S. Yanev, H. Auer, C. Heubner, K. Nikolow­ski, M. Partsch, A. Michaelis, Rapid Determina­tion of All-Solid-State Battery Performance via Chronoamperometry, J. Electrochem. Soc. 169 090519.