Productietechniek voor vaste-stofbatterijen

Meerschichtige, keramische Festkörperkathode für erste Funktionstests. © Fraunhofer IPA/Foto: Inga Landwehr

In het Centrum voor Digitalisierte Batteriezellenproductie aan het Fraunhofer IPA wordt samen met de middelgrote ondernemingen Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH en Dr. Fritsch GmbH & Co KG de procestechnologie voor de vaste-stofbatterijen van de toekomst ontwikkeld. De deelstaat Baden-Württemberg subsidieert het onderzoeksproject met meer dan een miljoen euro.

»Vaste-stofbatterijen hebben het potentieel om de huidige batterijtechnologie te vervangen«, is Carsten Glanz ervan overtuigd. De groepsleider voor applicatietechniek functionele materialen aan het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA wil samen met een team van wetenschappers en twee middelgrote ondernemingen uit Baden-Württemberg de voorwaarden scheppen voor de geautomatiseerde productie van hoogwaardige energieopslag.

In vergelijking met de momenteel gangbare lithium-ionbatterijen bieden vaste-stofbatterijen meerdere voordelen: De veiligheid is groter – omdat geen vloeibaar elektrolyt nodig is, kan er niets uitlopen en ontsteken. Daarnaast zijn er een hogere energiedichtheid en een langere levensduur.

De techniek bevindt zich nog in de kinderschoenen. »Vaste-stofbatterijen met een elektrolytlaag van keramiek bijvoorbeeld, werden tot nu toe alleen in laboratoriumschaal geproduceerd. De schaalbaarheid – dus de overdracht van de resultaten naar grootschalige productie – is nog volledig onduidelijk«, legt Glanz uit.

In het project »Onderzoek naar nieuwe meng- en sintertechnologieën voor gegroeide keramische vaste-stof elektrolyt« (EMSig) wil de ingenieur nu samen met twee industriële partners een procesketen ontwikkelen en optimaliseren voor de grootschalige productie van batterijen met keramische vaste-stof elektrolyten: »Wij hebben bij het IPA door het Centrum voor Digitalisierte Batteriezellenproductie veel ervaring met automatisering in de batterijproductie, en onze samenwerkingspartners beschikken over uitgebreide knowhow op het gebied van productie, functionaliseringsprocessen, handling en sintering van poeders.«

»Dr. Fritsch GmbH & Co KG zal binnen het kader van het project het keramische uitgangspulver leveren en aanpassen dat nodig is voor de productie van keramische elektrolyten«, meldt Ute Wilkinson, directeur van Dr. Fritsch. »Hier beschikken wij over de expertise om op maat gemaakte materialen te produceren en te analyseren.« De tweede partner is de Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH, een internationaal toonaangevende fabrikant van machines voor het mengen, doseren en sinterpersen van poeders. Het bedrijf heeft een lange traditie in innovatieve handling van poeders en in de sintertechniek. Zo kunnen nieuwe productiemethoden direct worden toegepast op de benodigde machines. Centraal in het productieproces staat de verdere ontwikkeling van innovatieve FAST- / SPS-sinterinstallaties. Dr. Fritsch is met meer dan 1000 geïnstalleerde sinterinstallaties ’s werelds leidende fabrikant van dergelijke FAST- / SPS-machines.

Zachte overgang in plaats van starre grenzen

Een bijzondere uitdaging bij de productie van vaste-stofbatterijen zijn de materiaalovergangen: scherpe grenzen tussen de verschillende lagen van de batterij kunnen leiden tot slechte ionengeleiding. Door verschillende thermische uitzettingen kan het zelfs tot breuk langs de grenslagen komen.

De oplossing: vloeiende grenzen. »Uit laboratoriumproeven weten we dat spanningsverschillen door geleidelijke overgangen tussen de keramische vaste-stof elektrolyt en de elektroden kunnen worden voorkomen«, vertelt Glanz. »Het was echter nog onduidelijk hoe deze spanningsverlagende overgangen procestechnisch kunnen worden gerealiseerd.«

Het doel van het EMSig-project is het bouwen van een demonstratie-installatie waarin vaste-stofbatterijen uit slechts dunne, homogene poederlagen laag voor laag worden opgebouwd en gesinterd, waarbij de samenstelling van het poeder bij elke laag verandert: bijvoorbeeld wordt op de overgang tussen elektrode en elektrolyt geleidelijk meer keramisch poeder toegevoegd – 25, 50, 75 en uiteindelijk 100 procent.

In twee jaar moet het volledige productieproces zodanig zijn ontwikkeld dat het door de industrie op grote schaal kan worden toegepast voor de batterijproductie. Het EMSig-project wordt ondersteund door de deelstaat Baden-Württemberg met 1,164 miljoen euro.

Kerngegevens

Project: »Onderzoek naar nieuwe meng- en sintertechnologieën voor gegroeide keramische vaste-stof elektrolyt« (EMSig)
Projectpartners: Dr. Fritsch GmbH & Co KG, Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Projectduur: 15.9.2021 tot 14.9.2023
Subsidiebijdrage: 1,164 miljoen euro
Subsidieverstrekker: Deelstaat Baden-Württemberg
Subsidiekenmerk: BW1_0163/03