"Voller Energie - Batterietechnologie im Wandel" - Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion - Batterietechnologie im Wandel"
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„Voller Energie - Batterietechnologie im Wandel“ Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion Dr.-Ing. Adam Stanislaw Balinski, Florian Maier, Daniel Steffen Reichert, Kathrin Schad, Julia Pross-Brakhage, Julian Grimm und Prof. Dr. Kai Peter Birke
Ökosystem Batterie
Agile Produktion und Kreislaufführung von Lithium-Ionen-Batterien
Leuchtturm 1 Leuchtturm 2
Agile Produktion Agile Kreislaufführung
Aufbau und Betrieb eines zukunftssicheren, Aufbau und Betrieb eines zukunftssicheren,
agilen Produktionssystems als Leuchtturm für agilen Systems zur Demontage und alternativer
die wirtschaftliche und flexible Fertigung von Kreislaufwirtschaftsstrategien als Leuchtturm für die
Batteriezellen für Kleinserien, Ramp-Up und wirtschaftliche und flexible Kreislaufführung
Prototypenanwendungen sowie dessen von Batteriezellen sowie die Rückführung der darin
Integration in die Kreislaufwirtschaft. enthaltenen Rohstoffe in die Zellproduktion.
Interaktion
Lebenszyklusübergreifende Digitalisierung
Kreislaufführung
Digitalisierung
Produktion
Seite 2 24.03.2023 © Fraunhofer IPA - Informationsklassifizierung -
Zukünftige Recyclingtechnologien
Automatische Sortierung
Motivation
GROBE, PROZESS
WEITESTGEHEND
Komplexe, minderwertige Produkte
MANUELLE
SORTIERUNG PROZESS
Breite Palette an Altbatterien: Unterschiede in Zustand, Chemie, Alter, Form
Unzureichende und weitestgehend manuelle Sortierung
Verarbeitung von komplexen Stoffströmen führt zum sog. Downcycling – Erhalt von minderwertigen Produkten
Seite 3 24.03.2023 © Fraunhofer IPA - Informationsklassifizierung -
Zukünftige Recyclingtechnologien
Automatische Sortierung
Lösungsansatz STOFFLICHES RECYCLING SECOND LIFE
… ANWENDUNGEN
SORTIEREN NACH SORTIEREN NACH
PHYSIKALISCHEN CHEMISCHEN
EIGENSCHAFTEN EIGENSCHAFTEN
Vollständig automatisierte Anlage für Sortierung von Altbatterien nach physikalischen und chemischen Eigenschaften
Schaffung der Möglichkeit für individuelle Behandlung von Altbatterien
Erzeugung von homogenen, leicht zu verarbeitenden Stoffströmen
Seite 4 24.03.2023 © Fraunhofer IPA - Informationsklassifizierung -
Zukünftige Recyclingtechnologien
Automatisierte, selektive Zellöffnung und Fraktionierung
Motivation
ZERKLEINERN FRAKTIONIEREN
Destruktive Zerkleinerungsmethoden
Starke Materialbeschädigung und Vermischung
Aufwendige, kostspielige Nachbehandlung notwendig
Seite 5 24.03.2023 © Fraunhofer IPA - Informationsklassifizierung -
Zukünftige Recyclingtechnologien
Automatisierte, selektive Zellöffnung und Fraktionierung
Lösungsansatz
AUTOMATISIERTE, SELEKTIVE
ZELLÖFFNUNG
UND FRAKTIONIERUNG
Herstellung von sauberen Fraktionen
Signifikante Verringerung des Trennaufwandes
Ermöglichung der Rückgewinnung von allen Batteriezellkomponenten
Seite 6 24.03.2023 © Fraunhofer IPA - Informationsklassifizierung -
Was sind die Herausforderungen der Digitalisierung?
Level 3 verspricht den höchsten Wert, ist jedoch am schwierigsten zu erreichen
Automatische Entscheidungen
Digitale Wertschöpfung Autonomie
Level 3 Vorhersagemodelle Rückkopplung in Prozesse
Neue Information durch
Vernetzung Verknüpfung von Daten
Level 2
Benutzerinteraktion (GUI) Simulation
Transparenz Zusätzliche Sensorik Echtzeitdaten
Level 1
Automatische Datenerfassung Einfaches Reporting
Seite 7 24.03.2023 © Fraunhofer IPA - Informationsklassifizierung -
Ökosystem für Digitale Mehrwert-Services
Digitalisierung benötigt zukunftssichere IT-Infrastrukturen und intelligente Mehrwert-Dienste
Nachverfolgung aller Zellen mit Parametrisierung der Anlagen
allen Parametern während der erweiterbare modulare über eine zentrale
Produktion IT-Architekturen Steuerungssoftware
3
Autonomie
Tracking & Zell- Anlagen- Bediener- Produktions- Versuchs-
Tracing überwachung integration führung planung Management
2
Vernetzung
Plattform der digitalisierten Batteriezellproduktion
1
Transparenz
Seite 8 24.03.2023 © Fraunhofer IPA - Informationsklassifizierung -
Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion
Industrialisierung der Natrium-Ionen-Batterie (NIB)
Natrium-Ionen-Batterie @ IPA
Warum: Reduktion bestehender Abhängigkeiten: Rohstoffe, Lieferketten, Produktion und geopolitische Entwicklungen
Wie: Skalierungsforschung und Validierung der Drop-in Eigenschaften der NIB-Produktion auf LIB-Produktionslinien
6 Monate 9 Monate 18 Monate
Grundlagenforschung Skalierungsforschung und Industrialisierung
Theoretisches wie experimentelles Know-how über geeignete NIB- Produktionserforschung auf bestehender
Zellchemien, um potentielle NIB-Anwendungen bestmöglich zu Anlagentechnik und Validierung der Drop-in
adressieren und Ressourcenabhängigkeit langfristig und Produktionseigenschaften zur Ausnutzung von
kostenoptimal zu minimieren. Investitions- und TimeToMarket-Vorteilen.
Seite 9 24.03.2023 © Fraunhofer IPA - Informationsklassifizierung -
Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion
In-situ LiAl-Legierung als Anodentechnologie für formatflexible Hochenergie-Lithiumzellen
Kommerzielle Graphitanode In-situ LiAl-Anodentechnologie
Anodenableiter Anodenableiter
Graphit Aluminiumfolie In-situ LiAl
Laden
Separator Separator
Li+
Kathode Kathode: Z.B.
LiMnO2
Kathodenableiter Kathodenableiter
▪ Hohe spezifische Kapazität: 993 Ah/kg ▪ Spannungsverlust durch das chemische Durchbrechen der
+
▪ Geringes Anodenpotenzial: ~0.37 V vs. Li/Li+ Oxidschicht beim ersten Laden
▪ Verhinderung von Dendritenwachstum ▪ Nukleationsüberspannung durch die Legierungsbildung
▪ Realisierung einer stabilen LiMnO2 – Kathode ▪ Inhomogene Legierungsbildung
▪ Vereinfachung des Produktionsprozesses ▪ Mechanische Instabilität des Aluminiums
Seite 10 24.03.2023 © Fraunhofer IPA - Informationsklassifizierung -Zukünftige Batterietechnologien
Zink-Ionen Batterien zum Einsatz als stationäre Energiespeicher
• Stationäre Energiespeichern haben im Vergleich zur Elektromobilität eine veränderte Gewichtung der Anforderungen
• Faktoren wie Kosten, Sicherheit und Nachhaltigkeit treten gegenüber der Energiedichte mehr in den Vordergrund und öffnen das Feld für
alternative Zelltechnologien
Zink-Ionen Technologie
5x günstiger im Bezug auf die Aktivmaterialien 1 , geringere Produktionskosten (keine kontrollierte Atmosphäre
erforderlich)
30 x höheres weltweites Vorkommen als Lithium 1 , beim Recycling kann auf etablierte Verfahren von Alkali-Mangan
Batterien zurückgegriffen werden
Nicht brennbarer Elektrolyt (wasserbasiert)
1 Durmus, Y. E. et al. Side by Side Technologies with Lithium-Ion Based Batteries. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2000089.
Seite 11 24.03.2023 © Fraunhofer IPA - Informationsklassifizierung -Zukünftige Batterieformate
LIBELLE
Ansatz
Modularisierung
Skalierbarkeit Batteriemanagementsystem
Seite 12 24.03.2023 © Fraunhofer IPA - Informationsklassifizierung -Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kontakt — Prof. Dr. Kai Peter Birke und Julian Grimm Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion julian.grimm@ipa.fraunhofer.de kai.peter.birke.@fraunhofer.de Fraunhofer IPA Nobelstraße 12 70569 Stuttgart www.ipa.fraunhofer.de
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