Im Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion am Fraunhofer IPA
wird gemeinsam mit den mittelständischen Unternehmen Dr. Fritsch
Sondermaschinen GmbH und Dr. Fritsch GmbH & Co KG die Prozesstechnik für
die Festkörperbatterien der Zukunft entwickelt. Das Forschungsprojekt
fördert das Land Baden-Württemberg mit über einer Million Euro.
»Feststoffbatterien haben das Potenzial, die bisherige Batterietechnik
abzulösen«, davon ist Carsten Glanz überzeugt. Der Gruppenleiter für
Applikationstechnik funktionaler Materialien am Fraunhofer-Institut für
Produktionstechnik und Automatisierung IPA will zusammen mit einem Team
von Wissenschaftlern und zwei mittelständischen Unternehmen aus Baden-
Württemberg die Voraussetzungen schaffen für die automatisierte Fertigung
hochwertiger Stromspeicher.
Verglichen mit den heute gängigen Lithium-Ionen-Batterien haben
Festkörperbatterien mehrere Vorteile: Die Sicherheit ist höher – weil kein
flüssiger Elektrolyt benötigt wird, kann nichts auslaufen und sich
entzünden. Hinzu kommen eine höhere Energiedichte und eine längere
Lebensdauer.
Noch steckt die Technik in den Kinderschuhen. »Festkörperbatterien mit
einer Elektrolyt-Schicht aus Keramik beispielsweise wurden bisher nur im
Labormaßstab gefertigt. Die Skalierbarkeit – also die Übertragung der
Ergebnisse auf eine Produktion im großen Maßstab – ist noch völlig
ungeklärt«, erklärt Glanz.
Im Projekt »Erforschung neuer Misch- und Sintertechnologien für gradierte
keramische Festkörperelektrolyte«, kurz EMSig, will der Ingenieur jetzt
zusammen mit zwei Industriepartnern eine Prozesskette für die
großtechnische Herstellung von Batterien mit keramischen
Festkörperelektrolyten entwickeln und optimieren: »Wir haben am IPA durch
das Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion viel Erfahrung mit
der Automatisierung in der Batterie-Fertigung, und unsere
Kooperationspartner verfügen über ein fundiertes Know-how, was die
Herstellung und Funktionalisierung, das Handling und das Sintern von
Pulvern betrifft.«
»Dr. Fritsch GmbH & Co KG wird im Rahmen des Projekts das keramische
Ausgangspulver bereitstellen und modifizieren, das für die Herstellung
keramischer Elektrolyte benötigt wird«, informiert Ute Wilkinson,
Geschäftsführerin bei Dr. Fritsch. »Hier haben wir die Kompetenz,
maßgeschneiderte Materialien zu erzeugen und zu analysieren.« Der zweite
Partner ist die Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH, ein international
führender Hersteller von Maschinen zum Mischen, Dosieren und Sinterpressen
von Pulvern. Das Unternehmen hat eine lange Tradition beim innovativen
Handling von Pulvern und in der Sintertechnik. So können neue
Produktionsmethoden sofort in die benötigten Maschinen umgesetzt werden.
Im Mittelpunkt des Produktionsprozesses wird dabei die Weiterentwicklung
innovativer FAST-/SPS-Sinteranlagen stehen. Dr. Fritsch ist mit über 1000
installierten Sinteranlagen der weltweit führende Hersteller solcher FAST
-/SPS-Maschinen.
Sanfter Übergang statt starrer Grenzen
Eine besondere Herausforderung bei der Fertigung von Feststoffbatterien
sind die Material-Übergänge: Scharfe Grenzen zwischen den einzelnen
Schichten der Batterie können zu einer schlechten Ionenleitung führen.
Durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen kann es sogar zum Bruch
entlang der Grenzschichten kommen.
Die Lösung: fließende Grenzen. »Wir wissen aus Laborversuchen, dass sich
die Spannungen durch graduelle Übergänge zwischen dem keramischen
Festkörperelektrolyten und den Elektroden verhindern lassen«, berichtet
Glanz. »Ungeklärt war bisher jedoch, wie sich diese spannungsverringernden
Übergänge prozesstechnisch realisieren lassen.«
Ziel des EMSig-Projekts ist es, eine Demonstrator-Anlage zu bauen, in der
Feststoffbatterien aus nur hauchdünnen, homogenen Pulverschichten Lage für
Lage aufgebaut und gesintert werden, wobei sich die Zusammensetzung des
Pulvers mit jeder Schicht verändert: Am Übergang zwischen Elektrode und
Elektrolyt beispielsweise wird sukzessive mehr Keramikpulver beigemischt –
25, 50, 75 und schließlich 100 Prozent.
In zwei Jahren soll der gesamte Produktionsprozess soweit ausgereift sein,
dass er von der Industrie für die Batterieherstellung im großen Maßstab
genutzt werden kann. Unterstützt wird das EMSig-Projekt durch das Land
Baden-Württemberg mit 1,164 Millionen Euro.
Steckbrief
Projekt: »Erforschung neuer Misch- und Sintertechnologien für gradierte
keramische Festkörperelektrolyte (EMSig)«
Projektpartner: Dr. Fritsch GmbH & Co KG, Dr. Fritsch Sondermaschinen
GmbH, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Projektlaufzeit: 15.9.2021 bis 14.9.2023
Fördersumme: 1,164 Millionen Euro
Fördergeber: Land Baden-Württemberg
Förderkennzeichen: BW1_0163/03
