Zellkonzepte

Gruppe

Komponenten und Charakterisierung von keramischen Festkörperbatterien.
Bipolares Zellkonzept für Li-Ionen-Batterien.
Batterieprüfstand zur Charakterisierung von IKTS-Laborzellen.

Die Arbeitsgruppe »Zellkonzepte« befasst sich mit der Entwicklung, dem Aufbau und der Charakterisierung von Test- und Demonstratorzellen für neuartige Batteriekonzepte. Der Schwerpunkt hierbei liegt auf All-Solid-State-Technologien, bei denen der flüssige Elektrolyt ersetzt wird – angefangen von Polymeren bis hin zu vollständig anorganischen Konzepten. Zur Herstellung der Zellen für Festkörperbatterien steht ein integriertes System aus mehreren Gloveboxen zur Verfügung. Damit lassen sich alle Prozesse von der Herstellung einzelner Zellkomponenten über die Kontaktierung (Lithium, Metalle, etc.) bis hin zur Zellassemblierung unter Argon-Schutzgas abbilden.

Für den Einsatz in Festkörperbatterien entwickelt und synthetisiert das Fraunhofer IKTS zum einen Aktivmaterialien mit optimierten elektrochemischen Eigenschaften und angepasster Partikelmorphologie sowie anorganische Elektrolyte basierend auf ionenleitfähigen Gläsern und keramischen Werkstoffen und zum anderen speziell aufgebaute und zusammengesetzte Komposite aus Aktivmaterial, Leitfähigkeitsadditiv und Festelektrolyt. Darüber hinaus bestehen enge Kooperationen mit Partnern beispielsweise zur Entwicklung und Synthese von polymeren Elektrolytmaterialen. Basierend auf diesen innovativen Materialien entwickelt die Arbeitsgruppe »Zellkonzepte« neue Zellaufbauten in monopolarer und bipolarer Bauweise.

Einen weiteren Themenschwerpunkt umfassen die Charakterisierung kommerzieller Li-Ionen-Batterien und -Zellen sowie deren Post-mortem-Analyse. Hier kann ein großer Erfahrungsschatz an unterschiedlichen untersuchten und bewerteten Zelltypen (Knopf-, Pouch-, Bipolar- und kommerzielle Zellen) eingebracht werden. Experimentell stehen neben den Batterieprüfständen spezielle Gloveboxen und Transfereinrichtungen ergänzend zur umfassend am Institut vorhandenen Analytik zur Verfügung. Der Fokus liegt auf der Untersuchung von Fehlern im Zellaufbau sowie material- und prozessbedingten Degradationserscheinungen in der Zelle. Hierfür kann auf die umfangreichen Analysekompetenzen des IKTS zurückgegriffen werden.

Neben der Entwicklung von neuen Zellkonzepten für die nächste Generation von Batterien spielen auch Recyclingstrategien eine zunehmend wichtigere Rolle. Die Arbeitsgruppe arbeitet hier an Konzepten für eine sichere und schnelle Tiefentladung sowie die Resynthese von Batteriematerialien aus zurückgewonnenen Rohstoffen. Im Mittelpunkt stehen dabei immer die Anpassung oder auch Neuentwicklung von Recyclingprozessen sowie deren ökologische und ökonomische Bewertung. Ein weiterer Fokus liegt auf der konstruktiven und materialtechnischen Zelloptimierung mit Blick auf den Recyclingprozess, d. h. auf ein recyclinggerechtes Design von Batteriezellen.

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Leistungsangebot#

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  • Elektrische, elektrochemische und materialanalytische Charakterisierung von Materialien und Komponenten für Festkörperbatterien und Li-Ionen-Batterien
  • Material- und Technologiecharakterisierung basierend auf Test- und Demonstratorzellen (Knopf-, Pouch- und Bipolarzellen)
  • Technologiebewertung von Festkörperbatterien und Beratung zu Zellkonzepten
  • Performance- und Alterungscharakterisierung für Festkörperbatterien unter definierten Bedingungen (-20 bis 120 °C)
  • Impedanzspektroskopische Untersuchungen und Zyklentests bis 400 A
  • Post-mortem-Analysen von konventionellen Zellen zur Identifikation von Ursachen für Zellversagen und Alterungsmechanismen
  • Bestimmung von Simulationsparametern anhand von Post-mortem-Analysen von Batteriezellen (z. B. Lithium-Ionen-Batterien)
  • Modellierung von Tiefentladungsprozessen
  • Charakterisierung von (resynthetisierten) Aktivmaterialien
  • Wirtschaftliche und ökologische Bewertung von Recyclingprozessen
  • Recyclinggerechtes Design von Batteriezellen

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Technische Ausstattung#

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  • Integriertes Gloveboxsystem unter Argon mit Pulveraufbereitungstechnik, Ofentechnik (bis 1200 °C) und Heißpresse sowie einer Bedampfungskammer für Lithium und weitere Metalle unter Vakuum
  • Gloveboxsystem zum Handling von sulfidischen Festelektrolyten (Thiophosphate), zur Komponenten- und zur Zellherstellung
  • Zwei Gloveboxen zur Herstellung von Knopf-, Pouch- und Bipolarzellen
  • Dedizierte Glovebox für Post-mortem-Analyse
  • Vielfältige Potentiostaten für die elektrochemische Charakterisierung (ca. 120 Kanäle)
  • Messplatz mit Faradayschem Käfig (z. B. für Hebb-Wagner-Polarisationsmessung oder hochohmige Proben)
  • Messplatz für elektrische Leitfähigkeit
  • Ausstattung zur Herstellung von Elektroden im Labormaßstab (Materialtests), Mischtechnik, Filmziehgerät
  • Ausstattung zur Knopf- und Pouchzellherstellung
  • Ausstattung für Probenahme und Transport unter Schutzatmosphäre für anschließende Materialanalytik

Forschung aktuell

Entwicklung von Prozessen für Sulfid-Elektrolytbasierte Festkörperbatterien

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Festkörperbatterie

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Zellbenchmarking und Post-mortem-Analyse kommerzieller Lithium-Batterien