Technologia produkcji dla baterii stałych

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

W centrum dla Zdigitalizowanej produkcji ogniw bateryjnych w Fraunhofer IPA wspólnie z małymi i średnimi przedsiębiorstwami Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH i Dr. Fritsch GmbH & Co KG rozwijane są technologie procesowe dla przyszłych baterii stałoprądowych. Land Baden-Württembergu finansuje ten projekt badawczy kwotą ponad miliona euro.

„Baterie stałoprądowe mają potencjał, aby zastąpić dotychczasową technologię baterii”, przekonuje Carsten Glanz. Kierownik grupy ds. techniki aplikacyjnej materiałów funkcjonalnych w Instytucie Fraunhofer ds. Techniki Produkcji i Automatyzacji IPA chce wraz z zespołem naukowców i dwoma małymi i średnimi przedsiębiorstwami z Badenii-Wirtembergii stworzyć warunki do zautomatyzowanej produkcji wysokiej jakości magazynów energii.

W porównaniu z obecnie powszechnie stosowanymi bateriami litowo-jonowymi, baterie stałoprądowe mają kilka zalet: wyższe bezpieczeństwo — ponieważ nie wymagają cieczy elektrolitu, nic nie wycieka i nie zapala się. Do tego dochodzą wyższa gęstość energii i dłuższa żywotność.

Technologia jest jeszcze w fazie rozwoju. „Baterie stałoprądowe z warstwą elektrolitu ceramicznego, na przykład, były dotychczas produkowane tylko w skali laboratoryjnej. Skalowalność — czyli przeniesienie wyników na produkcję na dużą skalę — jest jeszcze całkowicie nieznana”, wyjaśnia Glanz.

W projekcie „Badanie nowych technologii mieszania i sinterowania dla stopniowanych ceramicznych elektrolitów stałoprądowych”, skrót EMSig, inżynier chce wraz z dwoma partnerami przemysłowymi opracować i zoptymalizować łańcuch procesów do przemysłowej produkcji baterii z ceramicznymi elektrolitami stałoprądowymi: „Posiadamy w IPA dzięki Centrum Zdigitalizowanej produkcji ogniw bateryjnych duże doświadczenie w automatyzacji produkcji baterii, a nasi partnerzy dysponują solidną wiedzą na temat produkcji, funkcjonalizacji, obsługi i sinterowania proszków.”

„Dr. Fritsch GmbH & Co KG dostarczy w ramach projektu ceramiczny proszek wyjściowy i będzie go modyfikować, co jest niezbędne do produkcji ceramicznych elektrolitów”, informuje Ute Wilkinson, dyrektor zarządzająca firmy Dr. Fritsch. „Posiadamy kompetencje w tworzeniu i analizie materiałów na miarę.” Drugim partnerem jest Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH, międzynarodowy lider w produkcji maszyn do mieszania, dozowania i sinterowania proszków. Firma ma długą tradycję w innowacyjnym obsługiwaniu proszków i technikach sinterowania. Nowe metody produkcji mogą być od razu wdrażane na odpowiednich maszynach. W centrum procesu produkcyjnego będzie dalszy rozwój innowacyjnych linii do sinterowania FAST / SPS. Dr. Fritsch jest światowym liderem z ponad 1000 zainstalowanych urządzeń do sinterowania takich maszyn FAST / SPS.

Łagodna przejście zamiast sztywnych granic

Wyzwanie w produkcji baterii stałoprądowych stanowią granice materiałów: ostre granice między poszczególnymi warstwami baterii mogą prowadzić do słabej przewodności jonowej. Różne rozszerzalności termiczne mogą nawet powodować pęknięcia wzdłuż granic warstw.

Rozwiązanie: płynne granice. „Wiemy z eksperymentów laboratoryjnych, że napięcia można zapobiec poprzez stopniowe przejścia między ceramicznym elektrolitem stałoprądowym a elektrodami”, relacjonuje Glanz. „Dotychczas nie wiadomo było, jak technicznie zrealizować te napięciowo zmniejszające przejścia.”

Celem projektu EMSig jest zbudowanie demonstracyjnej instalacji, w której warstwy ceramicznych elektrolitów stałoprądowych będą budowane i sinterowane warstwa po warstwie z cienkich, jednorodnych proszków, przy czym skład proszku będzie się zmieniał z każdą warstwą: na przykład na granicy między elektrodą a elektrolitem stopniowo będzie dodawane coraz więcej proszku ceramicznego — 25, 50, 75 i ostatecznie 100 procent.

W ciągu dwóch lat cały proces produkcyjny ma być na tyle rozwinięty, aby można go było wykorzystać w dużej skali przemysłowej do produkcji baterii. Projekt EMSig jest wspierany przez land Badenia-Wirtembergia kwotą 1,164 miliona euro.

Profil projektu

Projekt: „Badanie nowych technologii mieszania i sinterowania dla stopniowanych ceramicznych elektrolitów stałoprądowych (EMSig)”
Partnerzy projektu: Dr. Fritsch GmbH & Co KG, Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Czas trwania projektu: 15.09.2021 do 14.09.2023
Kwota dofinansowania: 1,164 miliona euro
Dofinansowujący: Land Badenia-Wirtembergia
Numer referencyjny dofinansowania: BW1_0163/03