Batterietechnologie

Batterien als Schlüsseltechnologie einer gelingenden Energiewende

Batterien sind weit mehr als Energiespeicher – sie sind der Schlüssel zu einer klimaneutralen Zukunft und zum Erfolg der deutschen Industrie im globalen Wettbewerb. Gemeinsam mit unseren Partnern am Fraunhofer IGCV gestalten wir diese Zukunft aktiv: von der Materialentwicklung über die automatisierte Zellfertigung bis hin zur nachhaltigen Kreislaufwirtschaft. Denn nur mit leistungsfähigen und sicheren Batteriesystemen lassen sich Mobilität, Produktion und Wärmeversorgung zuverlässig auf erneuerbare Energien umstellen.

Damit die Energiewende gelingen kann, ist eine verlässliche Stromversorgung wichtig. Daher müssen Batterien zukünftig noch effizienter, umweltfreundlicher und nachhaltiger werden. Dazu gehört eine Steigerung ihrer Speicherkapazität ohne dabei größer oder schwerer zu werden, eine Verkürzung von Ladezeiten, eine längere Lebensdauer und eine stetige Optimierung der Sicherheit, beispielsweise durch die Minimierung von thermischer Überlastung. Hier ist viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit nötig und genau deshalb forschen Wissenschaftler:innen am Fraunhofer IGCV an der Herstellung von unterschiedlichen Batteriezellen und -speichern.

Innovationsplattform für Industrie und Mittelstand

Die Batterieforschung erfordert Wissen aus unterschiedlichen Wissenschaftsbereichen. Große Firmen verfügen oft über eigene Forschungsabteilungen, während KMU nur begrenzte Ressourcen haben. Genau hier setzt das Fraunhofer IGCV an: Unsere Plattform gibt regionalen Unternehmen die Möglichkeit, aktiv am Markt der Energiespeicher mitzuwirken, attraktive Geschäftsmodelle zu entwickeln und so zur Energiesouveränität Deutschlands beizutragen.

Forschungs- und Entwicklungsplattform für Batterie: Gemeinsam zur Innovationsspitze in der Batteriefertigung

Wir unterstützen Unternehmen aus Bayern und ganz Deutschland dabei, Batterielösungen sicher, effizient und nachhaltig zu entwickeln und einzusetzen.

Mit unserer innovativen Batterieplattform, gefördert durch [Förderer noch nennen], ermöglichen wir Firmen, ihre Innovationen bereits in der frühen Entwicklungsphase zu testen und modular und flexibel an verschiedene Zell- und Speicherformate anzupassen. So fördern wir praxisnahe Lösungen, die Energiedichte, Ladegeschwindigkeit und Sicherheit optimieren – für eine zuverlässige, ressourcenschonende Energieversorgung.

Ihr Weg zur Technologieführerschaft in der Batteriefertigung

Sie entwickeln Batterien oder sind in der Energiespeicherindustrie tätig? Dann arbeiten Sie mit uns. Nutzen Sie unsere Entwicklungsplattform für Batterie für Ihre technologischen Herausforderungen und Neuerungen.

Unsere Angebot deckt den gesamten Entwicklungszyklus ab: Wir können Sie von der ersten Idee an über das Design bis hin zum funktionsfähigen Prototyp unterstützen. Wir ermöglichen Ihnen die Umsetzung neuer Batteriekonzepte in funktionsfähige Musterzellen und forschen gemeinsam mit Ihnen an neuen Ideen. So können Sie Risiken frühzeitig erkennen, fundierte Investitionsentscheidungen treffen und Ihre Entwicklungszeiten deutlich verkürzen. 

Wir arbeiten kooperativ auf Augenhöhe und kennen Ihre Herausforderungen: Kostendruck, internationale Konkurrenz und hohe Qualitätsanforderungen. Durch die Partnerschaft mit unserem Team profitieren Sie von modernster Forschung, Erfahrung und Know-how, um leistungsfähigere, langlebigere und nachhaltigere Batterien zu entwickeln.

📩Kontaktieren Sie uns und informieren Sie sich bei unserem Experten Florian Steinlehner über eine Zusammenarbeit

➡️Wir laden Sie ein, unsere Forschungs -und Entwicklungsplattform für Batterien 🔋 vor Ort in Augsburg zu besichtigen!

Die Forschungs- und Entwicklungsplattform für Batterien: Wie arbeiten wir?

Von der Idee über das Design zum Prototyp.
Von der Zelle zum Speicher.
– sicher, effizient und zukunftsorientiert.


Unsere Entwicklungsplattform für Batterien betrachtet den gesamten Prozess – von der ersten Idee über das Design bis hin zum funktionsfähigen Prototyp. Innovative Batteriekonzepte können über unsere Entwicklungsplattform zu realen Musterzellen entwickelt werden – dabei sparen sie eigene umfangreiche Anfangsinvestitionen z. B. in Infrastruktur, Anlagen, Personal oder Prozesse. Sie erhalten eine ganzheitliche Betrachtung der Prozesskette und Wertschöpfung aus einer Hand – schnell, flexibel und wissenschaftlich fundiert.

Im Zentrum steht die systematische Untersuchung von Designkonzepten auf ihre technische und wirtschaftliche Umsetzbarkeit.

Durch den gezielten Einsatz bewährter Methoden, digitaler Modelle, standardisierter Workflows und realer Testplattformen ermöglicht die Plattform schnelle, flexible und nachhaltige Entwicklungszyklen; sie verknüpft Fachdisziplinen, fördert datenbasierte Entscheidungen und realisiert leistungsfähige, ressourcenschonende Batterien. Ergebnisse und Entscheidungen werden in einer verbindlichen Roadmap dokumentiert. Risiken werden frühzeitig erkannt, Investitionsentscheidungen abgesichert und Entwicklungszeiten deutlich verkürzt. 

Unsere Leistungen für produzierende Unternehmen:

  • Digitalisierung der Zellproduktion durch den Einsatz KI-basierter Methoden
  • statistische Datenauswertung der Batteriezellfertigung mithilfe von Sensoren
  • ganzheitliche Betrachtung des Fertigungsprozesses durch ein intelligentes, fertigungsschrittübergreifendes Ende-zu-Ende-Prozessmonitoring
  • Betriebsstrategie von Batteriespeichern anhand Künstlicher Intelligenz und Maschinellen Lernens
  • Automatisierte Prozesse und eine digitale Infrastruktur zur Entwicklung von Batteriematerialien und neuen Zelltechnologien
  • Transfer von innovativen Batteriezellkonzepten in industrielle Produkte
  • Flexibilisierung und Modularisierung der Produktionsanlagen sowie Entwicklung neuartiger Konzepte für einen nachhaltigeren Einsatz von Ressourcen

Steigende Effizienz bei weniger Ressourcenverbrauch

Um diese Prozessabläufe effizienter zu gestalten, werden flexible Automatisierungsverfahren genutzt. Das reicht von neuen digitalen Methoden zur Vernetzung der Produktionsanlagen bis hin zum Einsatz von Robotern. Deren Programmierung bindet zwar Zeit, soll aber im späteren Produktionsprozess Ressourcen sparen. Die Roboter- und Automatisierungstechnik findet vor allem in der Speicherassemblierung Anwendung. Das heißt: Von der fertiggestellten Zelle bis zum Pack sind verschiedene Produktions-, Handling- und Kontaktierungsschritte notwendig. Diese werden am Fraunhofer IGCV teilautomatisiert und möglichst flexibel mit entsprechender Robotertechnik unterstützt. Für eine schnelle und wirtschaftlich erfolgreiche Markteinführung neuer Zellgenerationen ist die gleichzeitige Entwicklung zugehöriger Technologien in allen Teilbereichen wichtig. Der Fokus liegt dabei auf der Umsetzungsgeschwindigkeit und Variantenvielfalt.

Unsere Angebote auf der Forschungs- und Entwicklungsplattform für Batterien: Funktionen & Tools für Ihre Batterieentwicklung

  •     Machbarkeitsanalyse (Proof of Feasibility)
  •     Umsetzungsanalysis (Proof of Concept)
  •     Abnahme-Test & Zertifizierung & Validierung
  •     Additiv gefertigte Handcasezelle
  •     Lebensdauer- und Leistungscharakterisierung aller Zellformate
  •     Tear-Down-Analyse
  •     Post-Mortem-Analyse
  •     Datenanalyse und -modellierung
  •     Validierung und Optimierung von Reinigungsprozessen
  •     Substratanalysen und -assessments
  •     Partikeldefinition bis 10 µm
  •     Heuristische Design Loops

Wie funktioniert die Forschungs -und Enwicklungsplattform für Batterien?

Vom ersten Slurry bis zum getesteten Speicher – unsere Entwicklungsplattform führt Sie in vier verzahnten Modulen zum marktfähigen Batteriesystem.

 

1. Modul: Elektrodenfertigung: Hier optimieren wir Rezepturen und Beschichtungen. Ziel ist die Herstellung leistungsfähiger, reproduzierbarer und prozesssicherer Elektroden, die die Grundlage für hochwertige Zellen bilden.

 

2. Modul: Zell-Assemblierung:  Hier entwickeln und optimieren wir mithilfe von Rapid Prototyping neue Zelldesigns und -mechaniken. Dabei werden sowohl Pouchzellen als auch runde und prismatische Hardcase-Zellen umgesetzt und analysiert.

 

3. Modul: Modul- und Systemdesign: Hier verbinden wir die Zellen zu montage- und recyclingfreundlichen Packs. Dabei werden elektrische, thermische und mechanische Aspekte zu einem funktionsfähigen Gesamtsystem integriert.

 

4. Modul: Performance & Monitoring:  Hier werden sowohl Zellen als auch Speicher charakterisiert und hinsichtlich Lebensdauer, Sicherheit und Normkonformität untersucht.

Elektrodenfertigung

  • Variable Zellchemie (LIB, SiB, Polymer, FKB)
  • Rolle-zu-Rolle-fähiger Beschichtungs- und Kalanderprozesse
  • Analytik und Charakterisierung

Zell-Assemblierung

  • Variable Zelltypen (pouch, rund, prismatisch)
  • Rapid Prototyping für Zellkomponenten
  • Zelldesign und -mechanik im Fokus

Modul- & Speicherbau

  • Zellkontaktierung (Laser/Ultraschall)
  • Design für Nutzbarkeit / für Recycling
  • Umsetzungsanalyse

Performance & Abuse-Testing

  • Charakterisierung von Elektrode, Zelle und Speicher
  • Zyklisierung, EIS, DCR, Degradationsverhalten
  • Safety- & Missbrauchstests nach UN 38.3
Mehr Info – Was ist eine Batterie / Batteriezelle / Batteriespeicher?

Was ist eine Batterie?

Eine Batterie gibt elektrischen Strom ab. Sie besteht aus verschiedenen Chemikalien, die Elektronen erzeugen. Das können zum Beispiel Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan oder Graphit sein. Eine Batterie hat immer einen Plus- und einen Minuspol. Wenn diese Pole zum Beispiel über eine Lampe verbunden werden, tauschen sie Elektronen aus. So beginnt Strom zu fließen. 

Was ist eine Batteriezelle?

Eine Batteriezelle ist die kleinste Einheit einer Batterie. Sie ist die Energiespeichereinheit. In Elektrofahrzeugen werden mehrere Batteriezellen zu einem Batteriepaket zusammengeschaltet, um die benötigte Energiemenge zu erreichen. Bei der Entladung wird die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt.

Was ist ein Batteriespeicher?

Batteriespeicher speichern momentan verfügbare Energie für eine spätere Nutzung. Sie können die Energie elektrisch, chemisch oder mechanisch speichern.

Wie wird eine Batterie hergestellt? Aufbau und Produktion der Batteriezelle

Mischen

Der Mischprozess stellt den Beginn der Fertigung von Batterieelektroden dar. Das Ausgangsmaterial dafür sind Pulvermaterialien und Lösungsmittel, die im ersten Prozessschritt vermengt werden. Daraus entsteht eine Elektrodenpaste – das so genannte Slurry – das weiter in den Beschichtungsprozess kommt.

Beschichten und Trocknen

Im Beschichtungsprozess wird das zuvor hergestellte Slurry mit geeigneten Verfahren auf eine metallische Trägerfolie aufgebracht. Anschließend wird die beschichtete Elektrodenfolie getrocknet. Damit wird die Elektrode erstmals hergestellt.

Kalandrieren und Laminieren

Beim Kalandrierprozess werden die Elektroden durch zwei Walzen verdichtet. Dabei werden mechanische und elektrochemische Eigenschaften eingestellt. Auf diese Weise lassen sich vorhandene Leistungsparameter von Batterien, beispielsweise ihre Energiedichte, verbessern. Mit der Laminieranlage kann Lithiumfolie auf Kupferfolie laminiert werden.

Zell-Assemblieren

Bei der Zell-Assemblierung werden aus den hergestellten Elektroden mit Hilfe verschiedenster Prozessschritte voll funktionsfähige Batteriezellen gefertigt.

Speichermontage 

Flexible Vorrichtungen ermöglichen am Fraunhofer IGCV den Aufbau von Prototypenzellen in unterschiedlichen Typen, Formaten und Größen. Das Resultat sind zum Beispiel Rundzellen, Pouch-Zellen oder prismatische Zellen.

Die fertiggestellten Batteriezellen werden am Fraunhofer IGCV im weiteren Verlauf für ihren Bestimmungszweck verbaut und direkt weiter in das Modul und die Batteriespeicher (Packs) integriert.

Insbesondere Polymere-Festkörperbatterien versprechen einen hohen Nutzen für eine Vielzahl von Anwendungen. Um allerdings die steigenden Anforderungen an Speicher abdecken zu können, verarbeitet das Fraunhofer IGCV nicht nur klassische Lithium-Ionen-Batterien sondern auch innovative Materialien, wie Festkörper-Batterien oder Natrium-Ionen-Batterien. Die verschiedenen Speicher- bzw. Zellkapazitäten haben je nach Anwendung verschiedene Vor- oder auch Nachteile und können möglichst flexibel je nach Anwendungsfall ausgelegt werden.

Formieren und Zelltest

In einer Art Endkontrolle werden neben Maschinendaten auch Materialeigenschaften zur Beurteilung der Qualität der Produkte und Prozesse mit geeigneten Messmethoden aufgezeichnet und ausgewertet.

Das Formieren, Zyklisieren und Testen der Performance von Zellen sowie Sicherheitstests an neuen Batteriezellen, Modulen und Packs sind ein wesentlicher Bestandteil jeder Batterieproduktion. Insbesondere die Abuse-Tests nach UN 38.3 muss jedes neue System bestehen. Für diese und weitere sicherheitskritische Tests sind spezielle Testlabore als Betonbunker im Außenbereich des TZ10 in Planung.

»BETTERExpedition«

Prof. Rüdiger Daub im Interview mit Simon Voß zur Zukunft der Batterieproduktion

 

Nur wer Material, Design und Fertigung von Beginn an verzahnt, kann Batterien für die Serienproduktion effizient, zuverlässig und wettbewerbsfähig entwickeln.

 

Zusammenfassung des Interviews:
Für Prof. Daub liegt die Zukunft der Batteriefertigung im Simultaneous Engineering: Zellchemie, Zell-Design, Speicherarchitektur und Produktionsprozess müssen von Anfang an gemeinsam entwickelt werden, um Leistung, Kosten und Produktionsfähigkeit optimal auszubalancieren. Neue Materialien, etwa High-Nickel- oder Festkörperbatterien, sind nur dann relevant, wenn sie skalierbar und im industriellen Roll-to-Roll-Verfahren herstellbar sind. Die Forschung darf Materialinnovationen daher nicht isoliert betrachten, sondern muss stets deren Produktionstauglichkeit und Gesamtkosten prüfen. Standardisierte „Commodity-Zellen“ stoßen an ihre Grenzen, da unterschiedliche Anwendungen spezifische Anforderungen an Form, Leistung und Integration stellen. Letztlich entscheiden Materialkosten über die Wirtschaftlichkeit, während die Produktionstechnologie Qualität und Nachhaltigkeit maßgeblich beeinflusst.

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Weitere Projekte und Angebote im Bereich Batterieproduktion

Fraunhofer IGCV im Kontext der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB:

Gemeinsam mit Partnerinnen und Partnern aus Forschung und Industrie ist das Fraunhofer IGCV Teil der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB. Im Verbund werden innovative Batteriezellkonzepte für industrielle Produkte entwickelt sowie neue und innovative Produktionsverfahren vorangetrieben.

Im Mittelpunkt stehen dabei die Flexibilisierung und Modularisierung der Produktionsanlagen und die Entwicklung neuartiger Konzepte für einen nachhaltigeren Einsatz von Ressourcen. Auf dieser Basis soll die Zellfertigung von Lithium-Ionen-Batterien gestärkt werden.

Von den Ergebnissen des Projektes können sowohl Industrieunternehmen als auch Forschungspartner profitieren. Mit der Forschung an der Elektrodenfertigung, der Zellassemblierung, der Konditionierung, dem Testing und der Qualifizierung von Rund-, Pouch-, und prismatischen Hardcase-Zellen, will das FFB das deutsche Entwicklungszentrum für die Batteriezellproduktion werden.

Das Fraunhofer IGCV unterstützt die Batteriezellenforschung vor allem durch seine Expertise und Erfahrung im Bereich der Verarbeitungstechnik. So sind wir im Kontext der Forschungsfertigung Batteriezelle hauptsächlich verantwortlich für Aspekte der Fabrikplanung und -bewertung, des Produktionsmanagements sowie der Anlagen- und Steuerungstechnik. Mit seiner Beteiligung trägt das Fraunhofer IGCV seinen Teil zu einer ökonomischen und ökologischen Produktion von Batteriezellen und damit zu einer ressourcenschonenden Zukunft bei. 

Das nachfolgende Video zeigt exemplarisch die Arbeit des Fraunhofer IGCV im Rahmen des Fraunhofer FFB. In fünf Anwendungsfällen werden die Vorteile einer Materialflusssimulation für Logistik und Produktion am Beispiel einer Batteriezellproduktion gezeigt: 

Europäisches Lernlabor Batteriezelle: Weiterbildungen für Einsteiger und Fortgeschrittene

Im Europäischen Lernlabor Batteriezelle bieten Expertinnen und Experten der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB am Standort Münster Weiterbildungen für Einsteiger und Fortgeschrittene zur Großserienfertigung von Batteriezellen und Akkus an. 

Forschungsprojekte des Fraunhofer IGCV rund um das Thema Batteriespeichertechnologien

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  • Projekt zum Thema Energiespeicher / Batterie, Copyright: Fraunhofer IGCV | Bernd Müller
    © Fraunhofer IGCV | Bernd Müller

    Der Strombedarf in Deutschland soll bis 2050 komplett aus erneuerbaren Energien bedient werden. Dabei gibt es allerdings ein Problem: Wind und Sonne sind keine beständigen Energielieferanten, das Stromangebot schwankt. Ein Beitrag zur Lösung liegt in der Anpassung des Stromverbrauchs von Fabriken an die fluktuierende Stromerzeugung. Die Ergebnisse sind ermutigend. Das Konzept der energieflexiblen Fabrik funktioniert auch in der Praxis – und senkt sogar den CO2-Aussstoß.

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Fraunhofer IGCVirtuell

Titelbild, Kachel, Icon zu Querschnittslösungen
© Fraunhofer IGCV | Bernd Müller

Virtuelle Tour durch das Fraunhofer IGCV

In virtuellen Rundgängen erfahren Sie mehr darüber, wie wir unsere Forschung im Produktionsumfeld in industrielle Anwendungen und modernste Anlagentechnik umsetzen!

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