F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R W E R K S T O F F - U N D S T R A H LT E C H N I K I W S INNOVATIVE TECHNOLOGIEN FÜR ENERGIESPEICHER DER NÄCHSTEN GENERATION Fraunhofer-Institut für Werkstoffund Strahltechnik IWS Winterbergstraße 28, 01277 Dresden Ansprechpartner: Dr. Holger Althues Telefon +49 351 83391-3476 Fax +49 351 83391-3300 [email protected] www.iws.fraunhofer.de info 200-14a Aufgabenstellung Lösung Elektrische Energiespeicher sind der Schlüssel und zugleich der Engpass für viele technologische Zukunftsfelder, u. a. auch für Elektro- und Hybridfahrzeuge. Hohe Kosten, nicht ausreichende Leistungsfähigkeit im Hinblick auf Energie- und Leistungsdichte sowie Lebensdauer und Sicherheitsaspekte verhindern in verschiedenen Bereichen noch den Durchbruch in den Massenmarkt. Eine Steigerung der Leistungsfähigkeit von Energiespeichern und eine Kostenreduktion sind vor allem durch neue Materialkonzepte und effizientere Produktionstechnologien möglich. Hohe Prozessgeschwindigkeiten und hohe Rohstoffausnutzung sind dafür die Vorausetzungen. Bei diesen Herausforderungen setzt das Fraunhofer IWS Dresden an und erarbeitet Lösungen entlang der Prozesskette zur Herstellung von Batterie- und Supercapzellen. Unser Angebot - Evaluierung von Materialien und Komponenten in Test- und Prototypzellen - Prozessentwicklung - Elektrodenfertigung - Konfektionierung - Kontaktierung - Aufbau und Test von Prototypzellen nach Kundenwunsch 1 Elektrodenherstellung im Trockenfilm-Prozess Ausgehend von herkömmlichen oder neuen Aktivmaterialien in Pulverform für Lithium-Ionen-Batterien und Supercaps werden, ohne Verwendung von Lösungsmitteln, freistehende oder substratbasierte Filme hergestellt. Vorteile des Trockenfilmprozesses sind: - Kostenersparnis durch die Vermeidung von Lösungsmitteln und Trocknungsschritten - hohe elektrochemische Aktivität durch die feine, fibrilläre Verteilung des Binders - Freiheit im Elektrodendesign (hohe Filmdicken, perforierte Stromkollektoren) durch die Herstellung freistehender Filme 2 Laserschneiden »on-the-fly« Automatisierte Assemblierung Das Zuschneiden von Elektroden im kontinuierlichen Prozess von der Rolle ermöglicht kurze Bearbeitungszeiten bei hoher Schnittqualität. Am IWS ist dieser Prozess in eine Demonstrationsanlage zur Zellfertigung integriert und für Versuche an unterschiedlichen Elektrodenmaterialien einsetzbar. Die Laserverfahren sind in eine Prozesskette zur vollautomatischen Zellfertigung unter lokalen Trockenraumbedingungen eingebunden. Der Aufbau von Zellen erfolgt durch Stapeltechnik. Laserstrahl-Schweißen Durch die geschlossene Prozesslinie können am IWS auf Basis von Ausgangsmaterialien (AktivmaterialPulver oder Elektroden) Zellen aufgebaut und getestet werden. Von reinen Materialbewertungen in Knopfzellen, hin zu 30 Ah Pouchzellen als Prototypen ergeben sich vielfältige Möglichkeiten. Die Kontaktierung der Elektrodenfolien erfolgt am IWS durch einen Laserschweißprozess. Eine mechanisch stabile Verbindung der Folien zum Ableiter und minimale Übergangswiderstände können so für verschiedene Materialkombinationen realisiert werden. Neben dem Trockenfilmprozess werden am IWS alternativ auch wasserbasierte Dispersionen im Rolle-zu-Rolle-Verfahren zu Elektroden verarbeitet. Schema des lösungsmittelfreien Trockenfilmprozesses zur Elektrodenherstellung Prototypischer Zellbau und Evaluierung 1 Kontinuierlicher Laserschneid- 2 Automatisierte Stapelanlage prozess »on-the-fly« mit integrierten Laserprozessen Ausstattung Elektrodenherstellung: R2R Beschichtungsanlage, Kalandersysteme für Nachverdichtung und kontinuierlicher Trockenfilmprozess Laserprozesse: Laserequipment für Laser-Remote-Schneiden und Schweißen von Elektrodenmaterialien Zellfertigung: automatisierte Stapelanlage unter Trockenraumatmosphäre; 3 Ar-Gloveboxen Tests: 200 Testkanäle für elektrochemische Untersuchungen