Gyártástechnológia szilárdtest-akkumulátorokhoz

Többrétegű, kerámia szilárdtest katód az első funkciótesztekhez. © Fraunhofer IPA/Kép: Inga Landwehr

Az IPA Digitális Akkumulátorgyártási Központjában közösen a középvállalkozásokkal, a Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH-val és a Dr. Fritsch GmbH & Co KG-val fejlesztik a jövő szilárdtest akkumulátorainak gyártástechnológiáját. Baden-Württemberg tartomány több mint egymillió euróval támogatja a kutatási projektet.

„A szilárdtest akkumulátorok potenciálisan leválthatják a jelenlegi akkumulátortechnikát”, meggyőződése Carsten Glanz. A Fraunhofer IPA funkcionális anyagok alkalmazástechnikájának csoportvezetője szerint, aki egy tudóscsoporttal és két középvállalkozással Baden-Württembergből dolgozik, az a cél, hogy megteremtsék a feltételeket a magas színvonalú energia tárolók automatizált gyártásához.

Az összehasonlításban a mai lítium-ion akkumulátorokkal a szilárdtest akkumulátorok több előnnyel rendelkeznek: a biztonság magasabb – mivel nem szükséges folyékony elektrolit, semmi nem szivárog vagy gyullad ki. Emellett magasabb energiasűrűség és hosszabb élettartam jellemzi őket.

Azonban a technológia még gyerekcipőben jár. „A kerámia elektrolittal ellátott szilárdtest akkumulátorokat például eddig csak laboratóriumi méretben gyártották. A méretnövelés – vagyis az eredmények átültetése nagyobb gyártási volumenbe – még teljesen bizonytalan”, magyarázza Glanz.

A „Új keverék- és szintertechnológiák kutatása lépcsőzetes kerámia szilárdtest elektrolitokhoz” (röviden EMSig) projektben a mérnök most két ipari partnerrel együttműködve egy folyamatláncot kíván kifejleszteni és optimalizálni a kerámia szilárdtest elektrolitokat tartalmazó akkumulátorok nagyszabású gyártásához: „Az IPA-nál a Digitális Akkumulátorgyártási Központ révén sok tapasztalatunk van az akkumulátorgyártás automatizálásában, és partnereink mélyreható szakértelemmel rendelkeznek a porok gyártásában, kezelése és szinterezése terén.”

„A Dr. Fritsch GmbH & Co KG a projekt keretében biztosítja és módosítja a kerámia eredeti port, amely a kerámia elektrolitok gyártásához szükséges”, tájékoztat Ute Wilkinson, a Dr. Fritsch ügyvezetője. „Nálunk megvan a képesség, hogy egyedi anyagokat állítsunk elő és elemezzünk.” A másik partner a Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH, egy nemzetközileg vezető gyártó a porok keverésére, adagolására és szinternyomására szolgáló gépek terén. A vállalat hosszú hagyományokkal rendelkezik az innovatív porkezelés és szinterezés területén. Így az új gyártási módszerek azonnal átültethetők a szükséges gépekbe. A gyártási folyamat középpontjában az innovatív FAST- / SPS-szinterező berendezések fejlesztése áll majd. A Dr. Fritsch több mint 1000 telepített szinterező berendezéssel a világ egyik vezető gyártója ilyen FAST- / SPS gépek terén.

Gyengéd átmenet a merev határok helyett

A szilárdtest akkumulátorok gyártásának egyik különleges kihívása az anyagátmenetek kezelése: az éles határok az egyes rétegek között rossz ionvezetést eredményezhetnek. A különböző hőmérsékleti tágulások miatt akár a határok mentén is törés keletkezhet.

A megoldás: sima határok. „Laboratóriumi kísérletekből tudjuk, hogy a kerámia szilárdtest elektrolit és az elektródák közötti fokozatos átmenetekkel elkerülhetők a feszültségek”, mondja Glanz. „Az eddig nem tisztázott kérdés az volt, hogyan lehet ezeket a feszültségcsökkentő átmeneteket folyamattechnikai szempontból megvalósítani.”

A EMSig-projekt célja, hogy egy demonstrációs berendezést építsenek, ahol a szilárdtest akkumulátorokat csak vékony, homogén porrétegek rétegről rétegre felépítve és szinterezve, miközben a por összetétele minden rétegnél változik: például az elektróda és az elektrolit közötti átmenetnél fokozatosan több kerámiaport kevernek hozzá – 25, 50, 75 és végül 100 százalékban.

Két éven belül a teljes gyártási folyamat annyira kifinomult lesz, hogy az ipar nagy volumenben is alkalmazni tudja az akkumulátorgyártásban. A EMSig projektet Baden-Württemberg tartomány támogatja 1,164 millió euróval.

Rövid ismertető

Projekt: „Új keverék- és szintertechnológiák kutatása lépcsőzetes kerámia szilárdtest elektrolitokhoz (EMSig)”
Projektpartnerek: Dr. Fritsch GmbH & Co KG, Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Projektidőszak: 2021.09.15 – 2023.09.14
Támogatási összeg: 1,164 millió euró
Támogató: Baden-Württemberg tartomány
Támogatási szám: BW1_0163/03