Deutschland - Kalorimeter - Accelerating Rate Calorimeter

Die Fraunhofer Gesellschaft (FhG) plant in einem mehrstufigen Projekt den Aufbau einer "Forschungsfertigung Batteriezelle" (FFB), in der die neuartigen Batteriezellkonzepte und -prozesse mit digitalisierten, flexiblen und modularen Fertigungsmethoden kombiniert und erforscht werden sollen. Ziel der FFB ist die Absenkung des Entwicklungsaufwandes für die hochskalierte Produktion neuester Lithium-Ionen-Batte- riezellen. Damit soll die FFB das Risiko von industriellen Partnern bei der Überführung neuartiger Zellkonzepte und Produktionstechnologien in die Großserienfertigung wesentlich mindern und die Eintrittshürden für neue Hersteller signifikant reduzieren. Weiter soll die Einrichtung FFB mittel- und langfristig dazu beitragen, die Qualifikation von Fachpersonal für die Batteriezellfertigung zu sichern. Die FhG wurde vom BMBF mit der Planung und Realisierung der FFB im Rahmen des Forschungsvorhabens FoFeBat beauftragt. Die FFB ist eine Fraunhofer-Einrichtung und wird in Münster aufgebaut. Das Wachstum der Infrastruktur vor Ort soll schrittweise innerhalb von mehrstufigen Planungs- und Bauphasen erfolgen. Bereits im zweiten Quartal 2021 wurden erste Forschungsarbeiten im "FFB Workspace" der Alexianer Werkstätten in Münster begonnen. Der erste Bauabschnitt ("FFB PreFab") wurde Anfang 2023 vom Land Nordrhein-Westfalen an die FhG übergeben, während der Bezug des dazugehörigen zweiten Bauabschnitts ("FFB Fab") zu einem späteren Zeitpunkt geplant ist. Die laufenden Teilprojekte 1 bis 3 des Gesamtvorhabens FoFeBat adressieren neben vier Innovationsmodulen hauptsächlich den Aufbau der Infrastruktur in der "FFB PreFab" und "FFB Fab". Dies beinhaltet neben dem Aufbau der Elektrodenfertigung sowie der Produktionslinien für die drei Zelltypen (Rund, Pouch, prismatisch) insbesondere die Realisierung der Rein- und Trockenräume zur Befähigung zukünftiger Arbeiten in der Forschungsinfrastruktur (siehe Abbildung 1). Das Teilprojekt 4 knüpft an die vorgelagerten infrastrukturellen Arbeiten an und visiert zudem weitere Innovationen auf Prozess- und Produktionsebene an. Dazu zählen die Skalierungsforschung von Materialsynthese und Prozessierung von Festkörperelektrolyten, sowie der Erarbeitung von Betriebsbedingungen und der Ermittlung von Sicherheitsaspekten im Zellbetrieb. In den vergangenen Jahren ist die Festkörperbatterie immer mehr in den Fokus der industriellen Forschung gerückt. Dabei konnte sich bisher keines der drei festen Elektrolytsysteme (Oxide, Thiophosphate, Polymer) eindeutig als vielversprechendste Lösung etablieren. Durch die hohen Anforderungen an die Produktionsumgebung und die teils deutlichen Unterschiede bezüglich der benötigten Fertigungsverfahren, Anlagen und Materialien machen die Adaption einer Fertigungsprozesskette für herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien auf die Herstellung von Festkörperbatterien sehr schwierig. Im Teilprojekt 4 sollen die grundlegenden Fragestellungen der Produktion von Festkörperbatterien beantwortet werden und gleichzeitig die notwendige Infrastruktur geschaffen werden, um die Zusammenarbeit mit den zahlreichen industriellen Partnern auch im Bereich der Festkörperbatterie zu ermöglichen. Die Arbeiten in Teilprojekt 4 verteilen sich auf verschiedene Arbeitspakete (AP) und sind auch entsprechend räumlich in sogenannte Innovationslabore getrennt. Es werden alternative Fertigungsverfahren und -technologien aus der Wertschöpfungskette Batteriezelle, mit besonderem Fokus auf die Festkörperbatterie, erforscht. Die verschiedenen Elektrolytsysteme (Thiophosphat, Oxid, Polymer) werden in den Innovationslaboren hochskalig synthetisiert und in verschiedenen Zellchemien auf Leistungsfähigkeit, Betriebsbedingungen und Sicherheitsaspekte untersucht (AP1 und AP4). Zudem sollen die Produktionsschritte der Verdichtung und Fügung der verschiedenen Zellkomponenten studiert werden, um die Grenzflächen innerhalb der Festkörperzelle während des Produktionsprozesses zu optimieren (AP5). Des Weiteren soll die Herstellung von Elektrodenpasten optimiert (AP3) und durch die Verwendung von innovativen Prozessadditiven und neuen Bindermaterialien die während des Produktionsprozesses notwendige Menge von Lösungsmitteln reduziert werden, um die Verarbeitung der gegenüber Lösungsmitteln sehr empfindlichen Elektrolytsysteme zu vereinfachen. Der finale Aspekt der Forschungsaktivitäten betrifft die Assemblierung von Halb- und Vollzellen und den Einfluss verschiedener Umgebungsfaktoren (sog. Mini-Environments) auf die Prozessierbarkeit der verschiedenen Materialien sowie die Integration von relevanter Prüftechnik zur Qualitätssicherung innerhalb des Produktionsprozesses. Im Rahmen des TP4 AP5 wird ein Accelerating Rate Calorimeter (ARC) zur Untersuchung der kalorimetrieschen Eigenschaften von Festkörperbatterien benötigt. Dieses wird in der Leistungsbeschreibung eingehend erläutert und spezifiziert.