F r au n h o f e r - A l l i a n z B at t e r i e n Glossar Batterien 2 Fraunhofer ISC Inhalt D i e F r a u n h o f e r - A l l i a n z B at t e r i e n .................................................... 5 G e s c h ä f t s f e l d e r ............................................................................................. 8 Material..................................................9 Testen und Prüfen.................................12 Zellproduktion......................................10 Simulation............................................13 System..................................................11 M i t g l i e d s i n s t i t u t e ......................................................................................1 3 Fraunhofer EMI.....................................14 Fraunhofer ISC......................................24 Fraunhofer FEP......................................15 Fraunhofer ISE......................................25 Fraunhofer ICT......................................16 Fraunhofer ISI.......................................26 Fraunhofer IFAM...................................17 Fraunhofer ISIT......................................27 Fraunhofer IIS.......................................18 Fraunhofer ITWM..................................28 Fraunhofer IISB.....................................19 Fraunhofer IVI.......................................29 Fraunhofer IKTS....................................20 Fraunhofer IWES...................................30 Fraunhofer ILT ......................................21 Fraunhofer IWM...................................31 Fraunhofer IMWS..................................22 Fraunhofer IWS.....................................32 Fraunhofer IPA......................................23 Fraunhofer LBF......................................33 G l o s s a r ..............................................................................................................3 6 Im p r e s s u m .........................................................................................................5 0 Forscher und Entwickler aus 20 Fraunhofer-Instituten bündeln ihre Kompetenzen in der Fraunhofer-Allianz Batterien. IMWS Halle IWEs Kassel 4 Dresden Die Fraunhofer-Allianz Batterien Fraunhofer-Allianzen bieten Instituten, Fachbereichen oder Abteilungen mit unterschiedlichen Kompetenzen eine etablierte Kooperationsplattform mit eigenem Label, um ein gemeinsames Geschäftsfeld institutsübergreifend zu bearbeiten und zu vermarkten. Die Zusammenarbeit reicht von zentral organisierten Marketingund PR-Maßnahmen über die gemeinsame Akquisition bis hin zum abgestimmten Projektmanagement für übergreifende, interdisziplinäre Verbundvorhaben und Vorlaufforschung. Die Fraunhofer-Allianz Batterien ist das Portal zum Forschungs- und Dienstleistungsangebot der Fraunhofer-Gesellschaft im Bereich elektrochemische Energiespeichersysteme (Batterien, Superkondensatoren). Mit dem Fachwissen und der Expertise von ihren 20 Mitgliedsinstituten setzt sich die Allianz Batterien zum Ziel, geeignete technische und konzeptionelle Lösungen unter besonderer Berücksichtigung der sozialen, ökonomischen und ökologischen Konsequenzen zu entwickeln und in die Anwendung zu überführen. Hierdurch soll die Forschung für den Bereich der elektrochemischen Energiespeicher zu einem zentralen Geschäftsfeld entwickelt und zukünftig ausgebaut werden. Die Kompetenzen der Fraunhofer-Allianz Batterien umfassen dabei die Themen Material, System, Simulation, Testung und Zellproduktion. 5 Die Fraunhofer-Allianz Batterien Geschäftsstelle Sprecher der Allianz Prof. Dr. Jens Tübke Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT Joseph-von-Fraunhofer-Straße 7 76327 Pfinztal Telefon +49 721 4640-343 [email protected] Leiterin der Geschäftsstelle Dr. Sophie Weixler Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT Joseph-von-Fraunhofer-Straße 7 76327 Pfinztal Telefon +49 721 4640-731 [email protected] 6 Geschäfts felder 1 2 Material Die Fraunhofer-Allianz Batterien entwickelt, optimiert und 1 Untersuchung charakterisiert kundenspezifisch Materialien und Fertigungs- eines ausgerollten prozesse von Batterien. Im Vordergrund stehen dabei Lithium- Separators und der Ionen-Systeme und Doppelschichtkondensatoren, aber auch Elektroden einer Redox-Flow- und Hochtemperaturspeicher (Na-S, Na-Nickel- Lithium-Ion-Zelle chlorid) werden bearbeitet. Schwerpunkte der Forschung und (Fraunhofer ICT). Entwicklung sind eine erhöhte Toleranz gegenüber äußeren 2 Elektroden- Einflüssen sowie die Verbesserung der Speichereigenschaften fertigung (Fraun- und der intrinsischen Sicherheit unter Berücksichtigung von hofer IKTS). Aspekten der Zellfertigung. Kontakt Dr. Mareike Wolter Telefon +49 351 2553-7971 [email protected] www.batterien.fraunhofer.de/material 8 1 2 Zellproduktion Ein wesentlicher Schwerpunkt der Aktivitäten der Fraunhofer- 1 Mischversuche im Allianz Batterien ist die Entwicklung effizienter Fertigungstech- Technologiezentrum nologien und -anlagen für Lithium Akkumulatoren, da es durch Batteriefertigung den zunehmenden Einsatz in mobilen und stationären Speicher- (Fraunhofer IKTS). anlagen einen hohen Bedarf an kostenoptimierten Produktions- 2 LiPo-Zellen für verfahren gibt. Im Rahmen zahlreicher Projekte, die mit Elektromobilität- industriellen Partnern in den letzten Jahren erfolgreich umge- Anwendungen setzt wurden, entstanden innovative Konzepte und praxisreife (Fraunhofer ISIT). Lösungen. Kontakt Dr. Andreas Würsig Telefon +49 482117-4336 [email protected] www.batterien.fraunhofer.de/zellproduktion 9 1 2 System In der Fraunhofer-Allianz Batterien werden aus Einzelzellen 1 Batteriemanage- unterschiedlichster Technologien kundenspezifisch Batterie- mentsystem (Fraun- module und komplette Batteriesysteme für verschiedenste hofer ISE). Anwendungen von der Elektromobilität über stationäre 2 Stationäres Energiespeicher bis hin zu Sonderanwendungen entwickelt. Batteriesystem mit Die Arbeiten umfassen das simulationsbasierte Design des Fraunhofer IISB mechanischen Aufbaus und des Kühlsystems, Verbindungs- Technologien inklu- techniken, Sicherheitskonzepte, die Entwicklung von Batterie- sive eigenes Open managementsystemen und den zugehörigen Source BMS (Fraunhofer IISB) Algorithmen für die Lade- und Alterungsbestimmung sowie optimierte Lade- und Betriebsführungsstrategien. Die Schnittstellen der modularen Batteriesysteme werden so konfektioniert, dass eine leichte Systemintegration sowohl leistungs- als auch kommunikationsseitig ermöglicht wird. Kontakt Dr. Matthias Vetter Telefon +49 761 4588-5600 [email protected] www.batterien.fraunhofer.de/system 10 1 2 Testen, Prüfen Das Testen und Prüfen der Energiespeichersysteme ist ein 1 Sicherheitstest wichtiger Schritt in der fahrzeugtechnischen Entwicklungskette. bzw. Abuseversuch Aufgrund der vielschichtigen Fragestellungen ist eine große An- durch Überladen zahl unterschiedlicher Attribute zu bewerten und zu verifizieren. einer Lithium-Ionen Die Ausstattung der Fraunhofer-Allianz Batterien erlaubt neben Zelle (Fraunhofer ICT). heutigen Standardtests und -prüfungen auch Sonderversuche 2 Anschluss einer mit hohem wissenschaftlichem Anspruch; je nach konkreter Messzelle an einem Fragestellung auf Zell-, Modul- und Systemebene. 96 Kanal Batterietester (Fraunhofer ISC). Kontakt Dr. Chalid el Dsoki Telefon +49 6151 705-8490 [email protected] www.batterien.fraunhofer.de/testen 11 1 2 Simulation Innerhalb der Fraunhofer-Allianz Batterien werden die 1 Festkörperionen- Eigenschaften von Batterien von der atomaren Skala bis leiter (Fraunhofer zum Verhalten im Antriebsstrang mit modernsten Methoden IWM). in der Simulation abgebildet. Die Fragestellungen, die in 2 Mikrostruktur- Vorlaufforschung oder als Auftragsforschung untersucht simulation mit BEST werden, reichen von Materialeigenschaftssimulationen, über (Battery and Electro- Zelloptimierungen unter thermischen und alterungsspezifischen chemistry Simulation Gesichtspunkten, der Optimierung von Batteriemanagement- Tool) (Fraunhofer systemen, bis zu Netzwerksimulationen sowie Crashverhalten ITWM). von Zellen und Batterien. Kontakt Dr. Jochen Zausch Telefon +49 631 31600-4688 [email protected] www.batterien.fraunhofer.de/simulation 12 MitgliedsInstitute 13 Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut EMI Freiburg und Efringen-Kirchen Da s F r a unhof e r E M I b e fa s s t s i ch mi t d e r Phy s i k s c hnel l abl aufender, tr a nsie nt e r P roz e s s e u m d a ra u s L ö s u n g e n f ür i ndus tri el l e A nwendungen abz ule it e n. D a s E M I b e h a n d e l t we rk s to ffübergreifend C ras h-, I mpaktu nd S t oßw e lle n p h ä n o m e n e i n E xp e ri me n t u nd Si mul ati on. Arbeiten innerhalb Allianz Aktuelle Forschungsthemen Im Bereich Batterien beschäftigt sich das JJ Dynamische Charakterisierung von Zellen, Batterien und Modulen unter Fraunhofer EMI mit Sicherheitsaspekten elektrochemischer Energiespeicher. Im Sicherheit (SOC bis 100 %) Vordergrund stehen dynamische zerstö- –– Materialcharakterisierung rende Prüfungen an geladenen Lithium- –– mechanische Abusetests Ionen-Systemen von Zell- bis Modulebene. –– Finite Element (FE) Simulation –– Crashverhalten Zur numerischen Simulation von Crashund Impaktlasten auf Batteriesysteme entwickelt das EMI Methoden und Materialmodelle für Zellen, Module und Fahr- JJ Hochauflösende Computertomografie –– Ante & Post mortem Analyse von Zellen zeuge. Institutsleitung Adresse Prof. Dr.-Ing. habil. Stefan Hiermaier Am Klingelberg 1 79588 Efringen-Kirchen Ansprechpartner Telefon +49 7628 9050-0 Dr. Thomas Kisters Telefon +49 7628 9050-687 [email protected] 14 www.emi.fraunhofer.de Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP Dresden Das Fraunhof e r F E P a rb e i te t a n i n n o va ti v e n L ö s ungen auf den A rbei ts geb i eten de r Va k uum b e s c h i ch tu n g , d e r O b e rfl ä chenbehandl ung und der org an i s c he n H a lble it e r. Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Das Fraunhofer FEP wendet die JJ Hochrate (Rolle-zu-Rolle) Vakuum- hochproduktiven Rolle-zu-Rolle beschichtung für Beschichtungs- und Bedampfungs- –– Entwicklung von Elektroden und Feststoffelektrolyten technologien für die Entwicklung –– Entwicklung von Grenzflächen- von neuartigen Li-Ionen- und schichten zwischen Stromableitern Dünnschichtbatterien an. und Elektrodenschichten JJ Anwendungen: –– Li-Ionen-Batterien –– Dünnschichtbatterien –– SuperCaps Institutsleitung Adresse Prof. Dr. Volker Kirchhoff Winterbergstr. 28 01277 Dresden Ansprechpartner Telefon +49 351 2586 -0 Dr. Nicolas Schiller [email protected] Telefon +49 351 2586 131 [email protected] www.fep.fraunhofer.de 15 Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT Pfinztal Das Fraunhofer ICT forscht und entwickelt in den Bereichen in den Bereichen Angewandte Elektrochemie, Energetische Materialien, Energetische Systeme, Polymer Engineering, und Umwelt Engineering. Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Unseren Kunden steht ein Expertenteam JJ Sicherheitstests und Analytik an Elektrochemikern und Materialwissen- –– Kombination ausgefeilter Analytik schaftlern zur Verfügung. Vordergründig mit Missbrauchsversuchen von stehen einerseits Sicherheitstests von der Batterien Zell- bis zur Modulebene. Andererseits werden neue Chemien wie LithiumSchwefel aber auch neue Ansätze wie Hybrid-Speicher aus Batterien und Kondensatoren entwickelt. –– Detektion freigesetzter Gase mit zielführenden Detailinformationen für die Auslegung von Batteriepacks –– Thermische, mechanische und elektrische Sicherheitstests an Zellen und an Modulen –– Thermische Messungen und Simulation bis in die Zelle Institutsleitung Adresse Prof. Dr.-Ing. Peter Elsner Joseph-von-Fraunhofer-Straße 7 76327 Pfinztal (Berghausen) Ansprechpartner Telefon +49 721 4640-0 Prof. Dr. Jens Tübke [email protected] Telefon +49 721 4640-343 [email protected] 16 www.ict.fraunhofer.de Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM Bremen Das Frau nhof e r IFA M l e i s te t a k ti ve Fo rs c h u n g s - und Entwi c kl ungs arbei t in den Be re ic he n F or m g e b u n g u n d F u n k ti o n s werks toffe, s owi e i n der Kl eb technik und Obe r fl ä c h e n . Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Die Abteilung elektrischer Energiespeicher JJ Aktivmaterialien beschäftigt sich mit der Material- und –– Analytik (u. a. speziell für Zellentwicklung. Insbesondere arbeitet Metall-Luft-Systeme) das IFAM an der Entwicklung für MetallLuft-Batterien und Festkörperbatterien. Material und Analytik –– Materialmodifizierung von des Fraunhofer IFAM in Oldenburg JJ Prozess- und Fertigungstechnik Im Fokus stehen hier Gasdiffusionselekt- –– Pulver- und Pastentechnologie roden, nanostrukturierte Elektroden und –– Beschichtungstechnik die Herstellung von kompakten Kompositelektroden. (Dickschicht / Dünnschicht) –– Zellendesign und Zellenbau Institutsleitung Adresse Prof. Dr.-Ing. Matthias Busse Wiener Str.12 28359 Bremen Ansprechpartner Telefon: +49 421 2246-0 Dr. Julian Schwenzel [email protected] Telefon +49 441 36116-262 [email protected] www.ifam.fraunhofer.de 17 Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS Nürnberg Da s F r a unhof e r I I S i s t e i n e we l twe i t fü h rende anwendungs ori enti erte Fo r sc hungse inr i ch tu n g fü r mi k ro e l e k tro n i sc he und i nformati ons tec hni s c he S y st e m lösu n g e n u n d Di e n s tl e i s tu n g e n. Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Die Gruppe »Integrierte Energieversor- JJ Batteriemanagement-Systeme gungen« beschäftigt sich seit mehr als –– Aktive Zellsymmetrierung 10 Jahren mit elektronischen Schaltungen –– State-of-Charge- und State-ofHealth-Bestimmung und Systemen zum Einsatz in Power- und Batteriemanagement-Systemen und Ener- JJ die Schaltungsentwicklung von beispielsweise Spannungswandlern und Lade- Modellierung und Simulation von Batteriemanagementsystemen gieversorgungen. Im Vordergrund steht JJ Erstellung von Fehlermodellen und Hardware-in-the-Loop (HiL)-Lösungen schaltungen bis hin zum ASIC und sowie die Konzeption und Umsetzung von Energy Harvesting Systemen. Institutsleitung Adresse Prof. Dr.-Ing. Albert Heuberger Nordostpark 93 90411 Nürnberg Ansprechpartner Telefon: +49 911 58061 9190 Dr.-Ing. Peter Spies [email protected] Telefon +49 911 58 061-6363 [email protected] 18 www.iis.fraunhofer.de Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB Erlangen Das Fraunhof e r IIS B f o rs ch t u n d e n twi c k e l t fü r den Berei c h l ei s tungs e l ektro nisc he S y st e m e , i n n o va ti v e m e c h a n i s c h e , e l ektri s c he und thermi sche Lö sunge n f ür m o b i l e u n d s ta ti o n ä re B a tte ri es y s teme. Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Die Batteriesystemgruppe beschäftigt sich JJ Modellierung von Zellen Lösungen und Methoden für die Entwick- –– Mechanisches, thermisches und lung von modernen Batteriesystemen. elektrisches Design Im Vordergrund stehen dabei Batterie- –– Entwicklung von Batterieelektroniken managementsysteme (elektronische Hard- –– Aufbau- und Verbindungstechnik ware und Software) mit höchster Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit, sowie Thermomanagement Lösungen und Modellierungsmethoden für eine längere Lebensdauer. Zelle / Modul –– Elektrische und thermische mit innovativen Hardware- und Software- JJ Batteriesysteme –– Auslegung und Entwicklung von Gesamtsystemen –– Performance Tests Institutsleitung Adresse Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey Schottkystraße 10 91058 Erlangen Ansprechpartner [email protected] Dr.-Ing. Vincent Lorentz Telefon +49 9131 761-346 [email protected] www.iisb.fraunhofer.de 19 Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS Dresden Da s F r a unhof e r I K T S d e c k t m i t s e i n e n S tandorten i n D res den-G runa, Dre sde n- K lot z sc h e u n d He rm s d o rf d a s F el d der Tec hni s c hen Kerami k vo n de r gr undla g e n o ri e n ti e rte n Vo rl a u ffo rs c hung bi s z ur A nwendung i n s e ine r ga nz e n B re i te a b . Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Im Fraunhofer IKTS arbeiten Wissen- JJ Technologie- und Prozessentwicklung schaftler aus unterschiedlichen Arbeits- für die Batterieproduktion gruppen daran, keramische Materialien –– Fraunhofer IKTS / ThyssenKrupp Batterietechnikum und Technologien für Batterien und Superkaps zu entwickeln und nutzbar zu JJ Keramische Na- und Li-Festkörper- machen. Dies betrifft neben Lithium-Bat- elektrolyte terien und –– Hochtemperatur-NaNiCl-Batterien SuperCaps genauso wie Hochtemperatur- –– Glas / Keramik-Elektrolyte mit hoher batterien (NaNiCl, Natrium-Schwefel) aber ionischer Leitfähigkeit auch neue Technologien wie LithiumSchwefel oder Metall-Luft-Batterien. Institutsleitung Adresse Prof. Dr. rer. nat. habil. Winterbergstraße 28 Alexander Michaelis 01277 Dresden Ansprechpartner Telefon +49 351 2553-770 Dr.-Ing. Mareike Wolter [email protected] Telefon +49 351 2553-7971 [email protected] 20 www.ikts.fraunhofer.de Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT Aachen Das Frau nhof e r ILT z ä h l t we l twe i t z u d e n b e d e u tends ten A uftrags forschungs- und E nt w ic k l u n g s i n s ti tu te n i m B e re i c h L as erentwi c kl ung und L as eran w e ndunge n. Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Das Fraunhofer ILT befasst sich im Bereich JJ sowohl mit Prozessen zur Zellherstellung, JJ thermisch optimierte Laserprozesse bilden Optimierung des Mikroschweißens von unterschliedlichen Metallen als auch mit dem Aufbau von Modulen oder Batteriesystemen. Besonders schnelle, Schnelle und präzise Trocknungs- und Trennprozesse zur Zellherstellung der laserbasierten Produktionsprozesse JJ Entwicklung von innovativen Konzepten zum Fügen von Batteriezellen hierbei den Fokus der Arbeiten. Institutsleitung Adresse Prof. Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe Steinbachstr. 15 52074 Aachen Ansprechpartner Telefon +49 241 8906-0 Dr. Arnold Gillner [email protected] Telefon +49 241 8906-148 [email protected] www.ilt.fraunhofer.de 21 Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS Halle Da s F r a unhof e r I M WS i s t I m p u l s g e b e r, I n nov ator und Probl eml ös er für d ie Indust r ie un d fü r ö ffe n tl i ch e Au ftra g g eber. D i e Ker nkompetenz en l i e ge n im Be re i ch d e r Ch a ra k te ri s i e ru n g v on Werks toffen bi s auf di e at om a re S k a la s o wi e i n d e r M a te ri a l e n twi ckl ung. Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Das Fraunhofer IMWS bringt in die Allianz JJ gnostik und Materialdesign auf der Mik- thermoplastbasierte Leichtbaustrukturen für automobile Batterie-Tragstrukturen seine Kernkompetenzen ein: MaterialdiaJJ Modifizierung der elektrischen Eigen- rostrukturebene. Der Fokus liegt auf der schaften von Kunststoffen für Gehäuse Zuverlässigkeit, Sicherheit und Lebens- von elektronischen Komponenten bzw. Bauteilen dauer der Materialien, etwa von Elektroden oder Separatoren. Besondere JJ Folienentwicklung und Funktionalisie- Expertise steuert das Institut zudem bei rung von Polymeroberflächen durch der Modifikation von Oberflächen durch kombiniertes Mikro- und Nanoprägeverfahren Funktionsschichten bei. JJ Aufbau Elektrolyseplattform inkl. Simulation von Elektrolyseanlagen Institutsleitung Adresse Prof. Dr. Ralf B. Wehrspohn Walter-Hülse-Straße 1 06120 Halle (Saale) Ansprechpartner Telefon +49 345 5589-0 Dr.-Ing. Nadine Menzel [email protected] Telefon +49 345 5589-237 [email protected] 22 www.imws.fraunhofer.de Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA Stuttgart Das Fraunhof e r IPA is t i n d i e A rb e i ts g e b i e te P ro dukti ons organi s ati on, Oberfl äc he nt e c hnolog i e , A u to m a ti s i e ru n g u n d P roz es s tec hnol ogi e mi t insges am t 14 F a c ha bt e i l u n g e n g e g l i e d e rt. Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Im Fraunhofer IPA beschäftigen sich vier JJ Materialentwicklung und Synthese- Abteilungen mit Materialien und Herstel- verfahren von Kohlenstoff-Nano- lungsprozessen für Batterien und materialien wie Graphen, Graphen Nanoplatelets und Carbon Nanotubes Superkondensatoren. Die Bereiche Oberflächentechnologie, Automatisierung und JJ verfügen über Expertenwissen, langjäh- JJ sichtlich Materialentwicklung und Reinst- 3D-strukturierte Elektroden zur Verbesserung der Leitfähigkeit rige Erfahrung und hervorragende Labore und Technologien – insbesondere hin- Herstellung von Elektroden durch Trockenbeschichtung Prozesstechnologie des Fraunhofer IPA, JJ Reinraumgerechte Automatisierung inkl. Präzisionsmontage und Mikroproduktion Institutsleitung Adresse Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl Nobelstr. 12 70569 Stuttgart Ansprechpartner Telefon +49 711 970-00 Joachim Montnacher Telefon +49 711 970 3712 [email protected] www.ipa.fraunhofer.de 23 Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC Würzburg Da s F r a unhof e r I S C i n Wü rzb u rg e n twi ck e l t al s M ateri alfors c hungs i ns ti tut innov a t iv e n i c h tme ta l l i s ch e We rk s to ffe. Bei der Entwi c kl ung der M a t e r ia lie n f ür d i e P ro d u k te vo n m o rg e n s t ehen H eraus forderungen der Zuk unf t im Z e ntru m d e r Arb e i t: E n e rg i e , U mwel t, G es undhei t. Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Das Zentrum für Angewandte Elektrochemie JJ entwickelt Materialien und Verfahren für Batterien der »nächsten Generation« –– Polymerelektrolyte, Glaskeramiken elektrochemische Energiespeicher und und Composite, nasschemische bietet analytische Dienstleistungen von Herstellung von Festelektroden und der Elektrode- bis hin zur Batterieebene. Festelektrolyten, umfassende analytische Kompetenz für Material- und Verfahrensentwicklung. –– Ultraflexible und präzise Elektrodenund Zellfertigung nach Kundenwunsch Institutsleitung Adresse Prof. Dr. Gerhard Sextl Neunerplatz 2 97082 Würzburg Ansprechpartner Telefon +49 931 4100-0 Dr. Henning Lorrmann [email protected] Telefon +49 931 4100-519 [email protected] 24 www.isc.fraunhofer.de Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Freiburg Das Fra unhof e r IS E s e tzt s i c h fü r e i n n a c h h a l ti ges , wi rts c haftl i c hes , si ch eres und soz ia l ge re ch te s E n e rg i e v e rs o rg u n g s s y s tem ei n. Es s c hafft techni s c he Vor a usse t z u n g e n fü r e i n e e ffi zi e n te und umwel tfreundl i c he En ergi ev e r sor gung. Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Die Abteilung PV-Inselanlagen und Batte- JJ in Energiesysteme Erfahrung mit der Entwicklung von Batteriesystemen (u. a. Lithium-Ionen-, Blei- Batteriesystemtechnik – von der Zelle zum Gesamtsystem bis zur Integration riesystemtechnik besitzt jahrzehntelange JJ Qualitätssicherung für PV-Batteriesys- und Redox-Flow-Batterien) sowie deren teme in der gewerblichen Anwendung Integration in verschiedenste stationäre und für PV-Dieselnetze sowie für PV- und mobile Anwendungen. Flankiert wird Batteriekraftwerke dieses Know-how durch umfangreiche Felderfahrungen mit PV-Batteriesystemen in nationalen sowie internationalen Projekten, insbesondere mit netzunabhängigen Anwendungen und mit Inselnetzen. Institutsleitung Adresse Prof. Dr. Eicke R. Weber Heidenhofstraße 2 79110 Freiburg Ansprechpartner Telefon +49 761 4588-0 Dr. Matthias Vetter [email protected] Telefon +49 761 4588-5600 [email protected] www.ise.fraunhofer.de 25 Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI Karlsruhe Da s F r a unhof e r I S I a n a l ys i e rt E n ts te h u n g u nd A us wi rkungen v on I nnov ati o ne n. W ir e r fo rs c h e n d i e k u rz - u n d l a n gfri s ti gen Entwi c kl ungen v on I nnov a t ionsproze s s e n u n d d i e g e s e l l s c h a f tl i c hen A us wi rkungen neuer Te c hnologie n un d D i e n s tl e i s tu n g e n . Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Das Fraunhofer ISI beschäftigt sich in den JJ Roadmaps –– internationale Roadmaps (eigene letzten Jahren mit rund 20 MitarbeiterInnen in mehr als 20 Projekten vertieft mit Entwicklung und Metaanalysen) zu Themen rund um Schlüsseltechnologien, Energiespeichern von der Materialentwicklung bis zum Markt insbesondere Energiespeicher, und Ent- –– nationale Roadmaps mit Fokus auf wicklungen der Elektromobilität und stationärer Anwendungen. Auftraggeber Lithium-Ionen Batterien für die sind Ministerien (BMBF, BMWi, etc.) sowie Elektromobilität und stationäre Anwendungen regionale Fördereinrichtungen, die Europäische Kommission und private JJ Monitoring Auftraggeber. JJ Trend- und Marktanalysen JJ Strategieentwicklung Institutsleitung Adresse Univ.-Prof. Dr. Breslauer Str. 48 Marion Weissenberger-Eibl 76139 Karlsruhe Ansprechpartner Telefon: +49 721 6809-0 Dr. Axel Thielmann Telefon +49 721 6809-299 [email protected] 26 www.isi.fraunhofer.de Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT Itzehoe Das Frau nhof e r IS IT in I tze h o e i s t e i n e d e r e u ro p awei t moder ns ten F orschungse inr ic ht unge n fü r M i k ro e l e k tro n i k u n d M i kros y s temtec hni k. Herzs tü c k de s Inst it u ts i s t d e r 3 0 0 0 m² g ro ß e Rei nraum, groß genug, um d i e e nt w ic k e lt e n M i k ro c h i p s i m i n d u s tri e l l e n M aßs tab z u ferti gen. Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Die Abteilung Integrierte Energiesysteme JJ elektrochemischen Energiespeichern auf JJ JJ Musterbau und Fertigung von Kleinserien Elektromobilität über stationäre Speicher bis hin zu Einsätzen in der Medizin- und Verfahrensentwicklung mit Skalierung bis zur industriellen Serienfertigung Basis von Lithiumakkumulatoren für unterschiedlichste Anwendungen von der Entwicklung maßgeschneiderter Lithium-Akkumulatoren beschäftigt sich mit der Entwicklung von JJ Umfangreiche Zellcharakterisierung Marinetechnik. Dazu steht eine Fertigungslinie für Elektroden und Separatoren im Technikums-Maßstab sowie eine Pilotlinie zur Zellproduktion für Prototypen und Kleineserien zur Verfügung. Institutsleitung Adresse Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Benecke Fraunhoferstraße 1 255247 Itzehoe Ansprechpartner Telefon +49 4821 17-0 Dr. Andreas Würsig [email protected] Telefon +49 482 17 4336 [email protected] www.isit.fraunhofer.de 27 Fraunhofer-Institut für Technound Wirtschaftsmathematik ITWM Kaiserslautern M it C om put e r si m u l a ti o n e n te c h n i s ch e r Vo r gänge unters tütz t das F raunh of e r IT W M U n te r n e h m e n b e i d e r G e s ta l tung und O pti mi erung v on Produk t e n, D ie n s tl e i s tu n g e n u n d A rb e i ts p roz es s en. Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Die physikalische Modellierung und JJ Entwicklung und Erweiterung numerische Umsetzung komplexer Trans- physikalischer Batteriemodelle portphänomene ist eine Kernkompetenz –– elektrochemisch-thermische Effekte des Fraunhofer ITWM. Dadurch ist es –– mechanische Einflüsse –– Seitenreaktionen und Degradation gelungen, die gekoppelten, nicht-linearen Transportprozesse einer Lithium-Ionen- JJ Unterstützung bei Material- und JJ Entwicklung angepasste Numerik zur Zelldesign Batterie mathematisch zu erfassen und numerisch effizient umzusetzen, um das Verhalten einer Batterie simulieren und effizienten Simulation vorhersagen zu können. Diese Arbeiten stehen in dem Simulationswerkzeug BEST kommerziell zur Verfügung. Institutsleitung Adresse Prof. Dr. Dieter Prätzel-Wolters Fraunhofer-Platz 1 67663 Kaiserslautern Ansprechpartner Telefon +49 631 31600-0 Dr. Jochen Zausch [email protected] Telefon +49 631 31600-4688 [email protected] 28 www.itwm.fraunhofer.de Fraunhofer-Institut für Verkehrsund Infrastruktursysteme IVI Dresden Das Sp e k t r um de s F ra u n h o fe r I V I e rs tre ck t s ic h über di e Berei c he Verkehrsplanung und Verkehrsökologie, Verkehrsinformation, Fahrzeug-, An tri ebs- und S e nsor te c h n i k s o wi e Ve rk e h rs te l e mati k, I nformati on und Ko mmunik a t ion bis hi n z u d e n G e b i e te n D i s p o s i t i on und L ogi s ti k. Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Im Spannungsfeld von Verkehr und JJ Li-Ion-, LiS/NaS-, EDLC-, LiC-Speicher Umwelt spielt der effiziente Einsatz der JJ Energie und Mobilität Ressource Energie eine herausragende Rolle. Diesen Systemkonflikt mit evidenzbasierten Methoden wissenschaftlich zu –– Konduktive und induktive Leistungsübertragung –– Speicherdimensionierung bewerten und mit neuartigen ingenieurtechnischen Systemlösungen zu bereichern, eröffnet der Abteilung »Verkehr, Energie und Umwelt« ein reichhaltiges Betätigungsfeld. Institutsleitung Adresse Prof. Dr. Matthias Klingner Zeunerstraße 38 01069 Dresden Ansprechpartner Telefon +49 351 4640-801 Dr. Ulrich Potthoff [email protected] Telefon +49 351 4640-638 [email protected] www.ivi.fraunhofer.de 29 Fraunhofer–Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES Kassel Sc hw e r punk t de s I n s ti tu ts te i l s K a s s e l i s t d i e Energi es y s temtec hni k z ur I nt e gr a t ion de r e r n e u e rb a re n E n e rg i e n wi e W i nd-, Sol ar- und Bi oenergi e i n Ve r sor gungss tru k tu re n . Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Die Batteriegruppe beschäftigt sich seit JJ von elektrochemischen Energiespeichern JJ JJ forderungen wie zum Beispiel Bordnetz- Echtzeitsysteme für Hardware-in-theLoop (HIL) Anwendungen steht dabei die Entwicklung von Simulationslösungen für verschiedene Kundenan- Zustandserkennung für Batteriemanagementsysteme für die Nutzung in industrieller und vorindustrieller Forschung. Im Vordergrund Darstellung von Alterung bei LithiumIonen und Blei-Säure-Batterien mehr als 25 Jahren mit der Simulation JJ Simulationsstudien zu Batteriepackdesign simulationen, Echtzeitsysteme (HIL) und Batteriemanagementsysteme. Institutsleitung Adresse Prof. Dr. Clemens Hoffmann Königstor 59 34119 Kassel Ansprechpartner +49 561 7294 0 Matthias Puchta [email protected] Telefon +49 0561 7294 367 [email protected] 30 www.iwes.fraunhofer.de Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM Freiburg Das Fra unhof e r IW M e ra rb e i te t n a c h h a l ti g e u nd res s ourc eneffi z i ente L ösunge n f ür die opt i mi e rte N u tzu n g vo n We rk stoffei gens c haften, für neu e B a ut e ilf unk t ione n u n d i n n o va ti v e Fe rti g u n gs v erfahren. Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Im Bereich Batterien steht am JJ Atomistische und quantenchemische Fraunhofer IWM die Simulation im Simulationen von Batteriematerialien Vordergrund. Die Methoden reichen –– Aufklärung grundlegender Material- dabei von quantenchemischen (Dichte- eigenschaften (virtuelle Lupe) funktionaltheorie, Tight-Binding) über –– Optimierung von Materialien atomistische (Molekulardynamik) bis hin –– Entwicklung neuer Rechenmethoden zu Kontinuumsverfahren (Finite Elemente –– High-Throughput-Screening neuer Methode). Das Fraunhofer IWM setzt Materialien diese numerischen Instrumente erfolgreich zur Beschreibung und zur Optimierung von Materialien und Bauteilen ein. Institutsleitung Adresse Prof. Dr. Peter Gumbsch Wöhlerstr. 11 79108 Freiburg Ansprechpartner Telefon +49 761 5142-0 Dr. Leonhard Mayrhofer [email protected] Telefon +49 761 5142-388 [email protected] www.iwm.fraunhofer.de 31 Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden Da s F r a unhof e r I W S b e tre i b t a n we n d u n g s ori enti erte F ors c hung und Ent w ic k lung v on d e n p h y s i k a l i s ch e n u n d we rks tofftec hni s c hen G rundl ag e n bis hin z ur S ys te m e n twi ck l u n g mi t d e n Sc hwerpunkten L as ertec hni k u nd Obe r f lä c he n te c h n i k . Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Die Batteriegruppe beschäftigt sich seit JJ Entwicklung von Li-S-Batterien als ca. 6 Jahren mit der Material- und Prozess- Speicher zukünftiger Generation entwicklung für elektrochemische Energie- –– Entwicklung maßgeschneiderter Ma- speicher. Einen wichtigen Schwerpunkt am IWS bilden die Arbeiten zu neuartigen terialien, Prozesse und Komponenten für Li-S-Zellen Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S-Batte- –– Lösungsmittelfreies Trockenfilm-Ver- rien), die ganzheitlich von der Material- fahren zur Elektrodenherstellung für entwicklung bis zur Fertigung von diverse Batterietypen Prototypzellen betrachtet werden. –– Herstellung und Verarbeitung von Kohlenstoffnanomaterialien –– Laserprozesse zum Fügen und Schneiden Institutsleitung Adresse Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Winterbergstr. 28 Eckhard Beyer 01277 Dresden Ansprechpartner [email protected] Dr. Philipp Thümmler Telefon +49 351 83391-3215 [email protected] 32 www.iws.fraunhofer.de Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF Darmstadt Das Fraunhof e r L BF f o rs c h t u n d e n twi c k e l t i n d e n Berei c hen Betri ebs fes t i gkei t, S y st e m z uv e r lä s s i g k e i t, E l e k tro m o b i l i tä t u nd Kuns ts toffen. Arbeiten innerhalb der Allianz Aktuelle Forschungsthemen Im Rahmen des Bereichs Systemzuverläs- JJ wicklung von Traktionsbatterien sowie Prüf- und Testumgebung für Batteriesysteme sigkeit arbeiten die Kollegen an der EntJJ 10 kWh Hochleistungsbatteriesystem geeigneten Prüfprozeduren zum Nach- für Plug-In hybridelektrische Fahrzeuge weis der Zuverlässigkeit und Sicherheit (PHEV) und Fahrzeuge mit Range- solcher Systeme. Extender (REX) Institutsleitung Adresse Prof. Dr.-Ing. Tobias Melz Bartningstr. 47 64289 Darmstadt Ansprechpartner Telefon +49 6151 7050 Dr. Chalid El Dsoki [email protected] Telefon +49 6151 705-8490 [email protected] www.lbf.fraunhofer.de 33 34 Glossar Glossar a Ableiter tab In einer Elektrode stellt der Ableiter die elektrische Verbindung zum Aktivmaterial dar. Üblicherweise befinden sich in einer Zelle zwei verschiedene Metallfolien, die für die Ableitung des Stroms zuständig sind. Die wesentliche Eigenschaft des Ableiters besteht darin, Elektronen abzuleiten und dabei elektrochemisch stabil zu bleiben. Abuse-Tests abuse tests Abuse-Tests sollen das fehlerfreie Funktionieren von Hochleistungsbatterien auch unter extremen Bedingungen sicherstellen. Zu den gängigen, in den Prüfvorschriften definierten Tests gehören: JJ Mechanische Abuse-Tests (Kontrollierter Crush, Penetration, Falltests, Immersion, Roll-over-Simulation, Schock) JJ Thermische Abuse-Tests (Thermische Stabilität, Simuliertes Kraftstofffeuer, Lagerung bei erhöhter Temperatur, Schnellladung/-entladung, Schnelle zyklische Temperaturwechsel) JJ Elektrische Abuse-Tests (Überladung, Kurzschluss/partieller Kurzschluss, Überentladung/Spannungsumkehr) B Additive additive Additive sind Stoffe, die Produkten in kleinen Mengen zugesetzt werden, um deren Eigenschaften zu verändern. Akkumulator accumulator siehe Sekundärzelle Alterung aging Unter Alterung wird bei Batterien ein Nachlassen der entnehmbaren Kapazität mit zunehmender Lebensdauer verstanden, das ist ein irreversibler Kapazitätsverlust. Die kalendarische Alterung kann durch Lagerung bei möglichst niedrigem Ladezustand und bei tiefen Temperaturen verringert werden. analytische Methoden analytical methods Analytische Methoden werden im Batteriebereich routinemäßig eingesetzt. Insbesondere bei Sicherheitstests an Modulen und kompletten Batteriesystemen können die gasförmigen Reaktionsprodukte durch umfangreiche Analysemethoden qualitativ nachgewiesen werden. Anode Eine Anode ist die Elektrode, an der die Oxidationsreaktion stattfindet. aktive Masse active material Die aktive Masse bezeichnet Materialien in den Elektroden, die an den elektrochemischen Reaktionen teilnehmen. Batterie battery Eine Batterie besteht aus mehreren galvanischen Elementen / Zellen, die zu einer funktionellen Einheit verbunden sind. 36 c Batteriemanagementsystem battery management system Ein Batteriemanagementsystem (BMS) ist eine elektronische Schaltung, die die Ladung und Entladung von Akkumulatoren überwacht und regelt. Zu den Aufgaben des Batteriemanagementsystems gehören die Zellenspannung innerhalb zulässiger Grenzen zu halten, die Temperatur zu überwachen, Lade- und Entladeprozess zu kontrollieren und die Batterie vor einer Tiefentladung zu schützen. Beschichten coating Das Beschichten stellt einen Kernschritt in der Elektrodenfertigung dar. In dem Beschichtungsprozess wird eine flüssige Suspension, bestehend aus dem Aktivmaterial, einem Polymerbinder, eventuell weiteren Additiven und einem Lösungsmittel, in dünnen Schichten auf eine Metallträgerfolie aufgebracht. Um die Beschichtungsmasse auf die Trägerfolie zu applizieren, können verschiedene Auftrags-verfahren verwendet werden: das Rakel-, das Schlitzdüsen- oder das Rasterwalzenverfahren. Binder Der Binder wird bei der Elektrodenherstellung eingesetzt. Er verbindet die Aktivmaterialpartikel mechanisch untereinander und das Aktivmaterial mit dem Ableiter. Blei-Säure-Batterien lead-acid battery Beim Bleiakkumulator besteht die positive aktive Masse aus Bleidioxid PbO2, die negative aktive Masse aus Blei, Elektrolyt ist wässrige Schwefelsäure. CAN-Bus Ein Controller Area Network (CAN) ist ein von der Internationalen Standardisierungsorganisation (ISO) standardisierter echtzeitfähiger Feldbus für die serielle Datenübertragung. Über einen CAN-Bus kann das BMS zahlreiche Parameter zur Verfügung stellen, zum Beispiel Ladezustand (SoC), Zellspannung, Zelltemperatur, Lade-/Entladestrom, Leistungsprognose. Carbon Nanotubes Kohlenstoffnanoröhren, auch CNT (carbon nanotubes) genannt, sind nanometergroße, zylindrische Röhren aus Kohlenstoff. Man unterscheidet zwischen ein- und mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen. Coulomb Counting Stromintegrative Methode zur Bestimmung des State-of-Charge Werts. C-Rate Die C-Rate eines Akkus beschreibt die Höhe eines Lade- bzw. Entladestroms in Bezug auf seine Nennkapazität. Bei einer Nennkapazität von 1200 mAh bedeutet beispielweise 1C, dass der Akku 1200 mA eine Stunde lang liefert. 2C wären 2400 mA über 30 Minuten. Cyclovoltammetrie cyclovoltammetry Die Cyclovoltammetrie ist durch die Vorgabe eines dreieckförmigen Potential-Zeit-Verlaufs an der Arbeitselektrode und Registrierung des resultierenden Strom-Potential-Diagramms charakterisiert. 37 Glossar D E F G Depth of Discharge (DOD) Der DOD-Wert gibt das Verhältnis der entnommenen Menge von elektrischer Ladung (meist in Amperestunden, Ah) zur Gesamtkapazität an. Dotierung doping In der Batterietechnik bezeichnet die Dotierung oder das Dotieren das Einbringen von Fremdatomen in eine Schicht, zum Beispiel in eine Elektrode. Die bei diesem Vorgang eingebrachte Menge ist dabei sehr klein im Vergleich zum Trägermaterial (zwischen 0,1 und 100 ppm). Elektrode electrode Die Elektrode ist ein leitfähiges Teil einer elektrochemischen Zelle. Die Elektrode besteht normalerweise aus der aktiven Masse und dem Ableiter. Elektrofahrzeug (BEV) Battery Electric Vehicle BEV steht für Battery Electric Vehicle. Ein Elektrofahrzeug ist ein Fahrzeug, das ausschließlich mit Akkustrom fährt. Elektrokatalyse electrocatalysis Die Elektrokatalyse ist ein Teilgebiet der heterogenen Katalyse. Ziel ist die Entwicklung von elektrochemisch hochaktiven und stabilen Katalysatormaterialien für die Anwendung in Elektroden. Elektrolyt electrolyte Elektrolyte sind chemische Verbindungen, die im festen, flüssigen oder gelösten Zustand in Ionen dissoziiert sind. Der Elektrolyt leitet den elektrischen Strom. Energiedichte energy density Energiedichte bezeichnet die gespeicherte Energiemenge einer Zelle. Sie wird entweder auf das Volumen oder das Gewicht der Akkus bezogen (in Wh/L bzw. Wh/kg). Entladeschlussspannung cut-off voltage Die Entladeschlussspannung ist die Spannung, bei der die Zelle oder Batterie vollständig ent-laden ist. Entladeschlussspannungen sind vom Akkutyp abhängig. Entflammbarkeit flammability Die Entflammbarkeit bezeichnet die Fähigkeit eines Materials zu brennen oder sich zu entzünden. Folientechnologie film technology Die Folientechnologie beschreibt die Überführung von Aktivpulver in dünne Elektrodenfolien. Gasanalyse gas analysis Die Gasanalyse ist ein Teilgebiet der Analyse. Mit Hilfe chemischer und physikalischer Methoden wird die qualitative und quantitative Zusammensetzung von Gasen und Gasgemischen untersucht. Mit chromatographischen Analysen können beispielsweise die gasförmigen und teilweise toxischen Komponenten, die bei Abuse-Tests von Batterien entstehen, bis in den ppm-Bereich quantifiziert werden. 38 H I Gehäuse housing Das Gehäuse bezeichnet den Batteriekasten, in dem die Plattenblöcke, die Verbinder, sowie der Elektrolyt untergebracht sind. Graphit graphite Graphit ist neben Diamant und Fulleren eine Modifikation des Kohlenstoffs und ein (allerdings selten) natürlich vorkommendes Mineral. Bei LithiumIonen-Akkumulatoren ist Graphit das Standardmaterial für die Anode. High-Energy-Zelle high energy cell Eine High-Energy-Zelle ist eine Batterie mit einem hohen Energieinhalt aus einem effizienten Energiespeicher und damit besonders geeignet für Elektrofahrzeuge. High-Power-Zelle high power cell Eine High-Power-Zelle ist eine Batterie mit einer hohen Leistungsfähigkeit aus einem effizienten Leistungsspeicher und einer guten Lade-/Entladedynamik und damit besonders geeignet für Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeuge. Hochtemperaturbatterie high temperature battery Eine Hochtemperaturbatterie bezeichnet eine Batterie, deren erforderliche Betriebstemperatur deutlich über den normalen Umgebungstemperaturen liegt. Bekanntester Vertreter dieses Typs ist die »Zebrabatterie«, eine wieder aufladbare Natrium-Nickelchlorid-Batterie. Ihre Arbeitstemperatur liegt bei ca. 300 Grad Celsius. Hybridsystem hybride system Als Hybridsystem wird auf dem Batteriesektor die Kombination eines Elementes guter Energiedichte, aber nicht befriedigender Leistungsdichte (zum Beispiel eine Brennstoffzelle) mit einem System guter Leistungsdichte bezeichnet. Impedanz impedance Die Impedanz (Z) ist der Scheinwiderstand eines Wechselstromkreises gegen Strom, der sich aus Reaktanz und ohmschen Widerstand zusammensetzt. Impedanzspektroskopie impedance spectroscopy Die Impedanzspektroskopie ist eine nicht-invasive Methode zur Charakterisierung frequenzabhängiger elektrischer Eigenschaften eines elektrochemischen Systems. Aus den erhaltenen Spektren können Rückschlüsse auf elektrische Transportmechanismen sowie auf die Beweglichkeit von Landungsträgern gezogen werden. Innenwiderstand internal resistance Der Innenwiderstand entspricht der Summe aller inneren Widerstände in einer Batterie. Steigt der Stromfluss, erhöht sich der Spannungsabfall am Innenwiderstand und die Spannung sinkt. Im Einzelnen setzt sich der Innenwiderstand aus dem Polarisationswiderstand der elektrochemischen Umsetzung, dem Fließwiderstand der Ionen und den ohmschen Widerständen an den Elektroden zusammen. 39 Glossar Ionenleiter ion conductor Der Ionenleiter ist ein Gas, ein Festkörper oder eine Flüssigkeit, bei dem der Transport elektrischer Ladungen durch Ionen anstelle von Elektronen erfolgt. Typische Ionenleiter sind ionisierte Gase und Elektrolyte. J Joule Maßeinheit für Energie. 1 Joule entspricht circa der Energie, die nötig ist, um 100 g um einen Meter anzuheben. Statt Joule wird mitunter der Begriff Wattsekunde (Ws) verwendet. K Kalander calender Ein Kalander ist ein System aus mehreren beheizten und polierten Walzen, durch deren Spalten eine Schmelze oder andere Materialien hindurchgeführt werden. Der Kalander wird benutzt, um die Elektroden nach der Trocknung auf die richtige Dicke und Dichte zu walzen. Kapazität capacity Die Kapazität eines Akkus ist die verfügbare Elektrizitätsmenge, gemessen in Amperestunden. Es ist der Entladestrom, der bis zum Zeitpunkt des Erreichens der Entladeschlussspannung entnommen werden kann. Kathode cathode Eine Kathode ist die Elektrode, an der die Reduktionsreaktion stattfindet. Keramik ceramic Der Begriff Keramik bezeichnet eine Vielzahl anorganischer und nichtmetallischer Werkstoffe. Keramische Hochleistungsmaterialien mit ihren einstellbaren Eigenschaften spielen in verschiedenen Batteriesystemen bereits eine entscheidende Rolle, zum Beispiel für die natriumbasierte Hochtemperaturbatterie. Klemmenspannung terminal voltage Die Klemmenspannung ist die Spannung, die zwischen den Elektroden gemessen wird. Kurzschluss short-circuit Als Kurzschluss bezeichnet man einen geschlossenen Stromkreis ohne Stromnutzer. Bei Batterien unterscheidet man zwischen internem und externem Kurzschluss. Ein interner Kurschluss kann durch das Wachstum von Dendriten durch den Separator verursacht werden. Ein externer Kurzschluss entsteht, wenn zum Beispiel die beiden Pole einer Batterie direkt miteinander verbunden werden. Kühlsystem cooling system Das Kühlsystem von einem Akku sorgt dafür, dass die Akkus beim Laden nicht zu heiß werden und eine Explosionsgefahr ausgeschlossen werden kann. Die optimale Temperatur liegt zwischen 20 und 35 Grad Celsius. Batterien werden entweder mit Luft oder mit Flüssigkeit gekühlt. 40 L Ladefaktor charge factor Der Ladefaktor ist das Verhältnis der für die Vollladung erforderlichen Elektrizitätsmenge zur vorher entnommenen Elektrizitätsmenge. Er beträgt je nach Akkutyp zwischen 1,2 und 1,5. Lademethoden charging methods Abhängig vom elektrochemischen System und von der Bauart werden für die Wiederaufladung von Akkumulatoren unterschiedliche Methoden zur zeitlichen Kontrolle und zum Verlauf des Ladestroms und der Ladespannung eingesetzt. Es gibt mehrere spannungs-, strom- und zeitgesteuerte Ladeverfahren. Zu denen zählen das Konstantspannungsladeverfahren, das Konstantstromladeverfahren ,das Pulsladeverfahren, das IU-Ladeverfahren und das Rückstromladeverfahren. Laderegler charge controller Ein Laderegler ist ein Gerät zur Überwachung und Regelung des Ladevorganges. Er schützt Akkus vor Tiefenentladung. Ladeschlussspannung end of charging voltage Die Ladeschlussspannung ist die Spannung, bei der die Zelle oder Batterie vollständig geladen ist. Ladestation charging station Die Bezeichnung Ladestation oder Ladesystem wird für Elektroautos benutzt, allerdings auch für Ladegeräte akkubetriebener Geräte, wie beispielsweise Smartphones, Digitalkameras, Handys und Akkuschrauber. Im Kontext der Elektromobilität geht es bei dem Begriff Ladestation um Elektrozapfsäulen für die Aufladung von Akkus für Elektroautos. Ladungszähler charge counter Der Ladungszähler ist ein Gerät zur Abschätzung des Ladezustandes der Batterie. Leerlaufspannung open circuit voltage Die Leerlaufspannung ist die Spannung eines Akkumulators, die besteht, wenn kein Strom fließt, d.h. wenn kein Verbraucher angeschlossen ist. Leistungsdichte power density Durch Multiplikation von Strom mit zugehöriger Klemmenspannung erhält man die elektrische Leistung der Batterie. Bezieht man die abgegebene elektrische Leistung auf das Batteriegewicht, so erhält man die Leistungsdichte des Elements in W/kg. Bei Elektrofahrzeugen beispielsweise ist die Energiedichte einer Batterie bei einem festgelegten Batteriegewicht entscheidend für die Reichweite des Fahrzeugs. Leitfähigkeit conductivity Die Leitfähigkeit entspricht der Fähigkeit eines Stoffes, elektrische Ladungsträger, vor allem Elektronen und Ionen, zu transportieren. Die Leitfähigkeit der Elektroden sowie des Elektrolyts spielen bei elektrochemischen Systemen eine wichtige Rolle. 41 Glossar M Leitsalze conducting salts Leitsalze werden in Elektrolyte gelöst und übernehmen den Ladungstransport, ohne an der Reaktion teilzunehmen. Lithium-SauerstoffBatterie lithium-oxygen battery Die Lithium-Sauerstoff-Batterie (Li-O2) mit einer theoretischen Energiedichte von mehr als 10.000 mAh/g ist eine vielversprechende Technologie. Die größte Herausforderung ist, eine ausreichende Zyklenlebensdauer zu erreichen. Die Lithiumoxide und Peroxide, welche sich während des Entladens bilden, sind unlöslich und neigen dazu die Poren der Kathode zu verstopfen, was zu Kapazitätsverlusten führt. Um zu einem Durchbruch zu gelangen, müssen neue Katalysatoren sowie stabile und sichere Elektrolyte erforscht werden. Lithium-Schwefel-Batterie lithium-sulfur battery Die Lithium-Schwefel-Batterie (Li-S) weist von allen festen Materialkombinationen die höchste theoretische Kapazität auf (1672 mAh/g). Trotz der geringen Zellspannung von ca. 2,1 V können mit Lithium-Schwefel-Zellen Energiedichten zwischen 200 und 500 Wh/kg erzielt werden, was deutlich über dem Niveau von Interkalationssystemen liegt (150 – 220 Wh/kg). Weitere Vorteile sind, dass Schwefel sehr preisgünstig und weltweit in großem Maße verfügbar ist. Weiterhin sind Li-S-Zellen auch bei tiefen Temperaturen einsatzfähig. Eine Kommerzialisierung ist bislang jedoch noch nicht erfolgt, da die Zyklenstabilität gering ist und die Zellen eine hohe Selbstentladung und schlechte Effizienz aufweisen. Lithium-Ionen-Batterie lithium-ion battery Die Lithium-Ionen-Batterie (Li-Ion) weist eine hohe gravimetrische Energiedichte (bis zu 200 Wh/kg) auf. Sie ist thermisch stabil, besitzt eine niedrige Selbstentladung und unterliegt nahezu keinem Memory-Effekt. Ein Lithium-Ion-Akku beruht auf dem Austausch von Lithium-Ionen zwischen den beiden Elektroden. Es gibt viele Varianten von Lithium-Ion Systemen von Lithium-Ionen-Polymer-Akkus, über Lithium-Mangan-Akkus, LithiumTitanat-Akkus bis hin zu den umweltfreundlichen Lithium-Eisen-PhosphatAkkumulatoren. Lösungsmittel solvents Lösungsmittel sind Flüssigkeiten aus dem Bereich der anorganischen und organischen Verbindungen, die dazu benutzt werden, Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe aufzulösen, ohne dass es dabei zu chemischen Reaktionen zwischen gelöster Substanz und dem Lösungsmittel kommt. Membran membrane Eine Membran ist eine dünne Schicht eines Materials, welche dazu geeignet ist, den Transport von bestimmten Stoffen durch diese Schicht zu beeinflussen. In Redox-flow Batterien werden die zwei Elektrolyte durch eine Membran getrennt, durch die der Ionenaustausch stattfindet. 42 N Memory-Effekt memory effect Der Memory-Effekt ist ein Kapazitätsverlust eines Akkumulators bei häufiger Teilentladung. Statt der ursprünglichen wird beim Laden nur die bei den bisherigen Entladevorgängen benötigte Energiemenge zur Verfügung gestellt. Der Memory-Effekt ist ein Phänomen, das besonders bei Nickel-Cadmium Akkus auftritt. Modellierung modelling Modellierungen ermöglichen tiefe Einblicke in die Vorgänge im Speichersystem und helfen bei der optimalen Auslegung der Batterie. Für die elektrische und thermische Auslegung des Gesamtsystems sind eigens angepasste, effiziente Simulationsmodelle unverzichtbar. Ausgehend von der messtechnischen Analyse von Speicherzellen oder Detailmodellen werden vereinfachte Zellmodelle abgeleitet, die das elektrische und thermische Betriebsverhalten mit genügender Genauigkeit beschreiben. Modul module Ein Modul besteht aus mehreren Zellen, die zusammengeschaltet sind. Nennkapazität nominal capacity Die Nennkapazität eines Akkus ist die verfügbare Elektrizitätsmenge, gemessen in Amperestunden. Es ist der Entladestrom, der bis zum Zeitpunkt des Erreichens der Entladeschlussspannung entnommen werden kann. Nernst-Gleichung (für Redoxelektroden) Nernst equation Die Nernst-Gleichung beschreibt die Konzentrationsabhängigkeit des Gleichgewichtspotential E der Redoxelektrode. 𝐸𝐸 = 𝐸𝐸0 + 𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑎𝑎𝑜𝑜𝑜𝑜 ln 𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑎𝑎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 T ... absolute Temperatur E ... Gleichgewichtspotential F ... Faraday-Konstante E0 ...Standardpotential R ... universelle Gaskonstante n ... Anzahl der übertragenen Elektronen a ... Aktivität des betreffenden Redox-Partners 43 Glossar O P Nickel-Metallhydrid-Batterien nickel–metal hydride battery Nickel-Metallhydrid-Batterien sind die Weiterentwicklung des NickelCadmium-Typs. Die Anode ist eine wasserstoffspeichernde Elektrode. Die Kathode besteht aus einem Nickeloxydhydrat-Blech. Beim Ladevorgang des Akkumulators wird an der negativen Elektrode atomarer Wasserstoff erzeugt und sofort in das Kristallgitter der Elektrode aufgenommen (Bildung des Metallhydrids). Diese Reaktion wird bei der Entladung der Zelle umgekehrt, so dass der gespeicherte Wasserstoff an der Elektrodenoberfläche oxidiert wird. Mit einer Energiedichte von ca. 80 Wh/kg werden sie in elektronischen Kleingeräten wie Taschenlampen, Handys oder Digitalkameras eingesetzt. Oxidation Die Oxidation ist ein chemischer Prozess, der an der negativ geladenen Elektrode stattfindet. Hier werden Elektronen abgegeben. Potential, elektrochemisches electrochemical potential Das elektrochemische Potential μ fürμeine geladene Teilchenart, ̃= i + zelektrisch i Fφ zum Beispiel ein Ion i, in einer festen oder flüssigen Phase ist definiert durch die folgende Gleichung. μ̃ = μi + zi Fφ µi ... chemische Potential zi ... Ladungszahl des Ions F ... Faraday-Konstante, F=96485 C/mol ϕ ... elektrisches Potential im Innern der Phase R Pouch-Zelle pouch cell Eine Pouch-Zelle besitzt eine Zelle mit folienbasierter Verpackung. PouchZellen gewinnen aufgrund des geringen Eigengewichts immer mehr an Bedeutung bei Herstellern für Consumer- und Automotive-Zellen. Eine große Herausforderung dieser Pouch-Zellen ist es, über die gesamte Lebensdauer eine hohe Barrierewirkung gegen Wasserdampf und Sauerstoff aufrecht zu halten. Ihre Stärken sind geringere Fertigungskosten, eine verbesserte Sicherheit und eine Steigerung der gravimetrischen Energiedichte. Primärzelle primary cell Wenn eine oder beide Elektrodenreaktionen einer Zelle sich nicht umkehren lassen, wird das Element als Primärzelle bezeichnet. Recycling recycling Batterierecycling bezeichnet die stoffliche Wiederverwertung von Batterien und Akkumulatoren zur Gewinnung der darin enthaltenen Elemente, wie Blei, Cadmium oder Zink. Für gebrauchte Batterien besteht per Gesetz eine Rückgabepflicht für Verbraucher und eine Rücknahmepflicht für Handel, Entsorgungsträger, Hersteller und Importeure. 44 S Redox-FlowBatterie redox flow battery Eine Redox-Flow-Batterie besteht aus zwei flüssigen Elektrolyten, die durch eine Membran getrennt sind, und in externen Tanks gelagert werden – wodurch eine Entkopplung von Leistung (Membran) und Kapazität (Tankinhalt) erleichtert wird. Die eigentliche Energiespeicherung erfolgt in chemischen Verbindungen (mittels Reduktion und Oxidation), analog zu klassischen Akkumulatoren. Ihr Vorteil liegt unter anderem in der Möglichkeit einer schnellen Aufladung durch Flüssigkeitsaustausch. Sie haben bereits heute eine vergleichbare Energiedichte wie Bleiakkus, ihre Lebensdauer ist jedoch fast zehnmal so hoch. Restkapazität residual capacity Die Restkapazität ist die nach Entladung verbleibende Kapazität. Sekundärzelle secondary cell Wenn die Zelle wieder aufgeladen werden kann und nach dem Ladeprozess erneut zur Stromlieferung bereit steht, wird das Element als Sekundärzelle bezeichnet. Selbstentladung self discharge Selbstentladung ist ein chemischer Prozess, der dazu führt, dass sich Batterien und Akkumulatoren, auch wenn kein Verbrauchsstrom fließt, langsam entladen. Der Prozess der Selbstentladung ist temperaturabhängig und steigt mit höheren Temperaturen an. Deswegen sollten Batterien möglichst kühl gelagert werden. Außerdem ist die Selbstentladung abhängig vom elektrochemischen System. Separator separator In einem Akkumulator trennt der Separator die Kathode und die Anode elektrisch voneinander. Er bildet einen elektrischen Isolator, den allerdings Ionen für die elektrochemische Reaktion passieren können. Ein solcher Separator ist äußerst dünn und feinporig, er ist flexibel und besteht aus einer Membran oder aus Vliesstoffen, in denen sich der Elektrolyt befindet. Je dünner der Separator, desto höhere Packungs- und Energiedichten können erzielt werden. Sicherheit safety Das Testen von Batterien hinsichtlich ihrer Sicherheit ist ein wesentlicher Bestandteil für die Entwicklung und weitverbreitete Anerkennung elektrischer Mobilität. Die funktionale Sicherheit und die Zuverlässigkeit der Batterie müssen beurteilt werden. Darüber hinaus werden Abuse-Tests durchgeführt, um das Verhalten von Batterien im Fehlerfall unter extremen Bedingungen bzw. bei missbräuchlichem Einsatz zu simulieren. 45 Glossar Silizium-Anoden silicon anodes Silizium wird in der internationalen Batterieforschung gegenwärtig als eines der vielversprechendsten Anodenmaterialien für Li-Ionen-Akkumulatoren angesehen. Um die Volumenänderung bei der Abscheidung/ Auflösung von Lithium zu kontrollieren, müssen die Halbleiter nanostrukturiert sein. Silizium-Nanodraht-Anoden besitzen eine mehr als 10-fach höhere Kapazität als herkömmliche Graphit-Elektroden. Simulation simulation Computersimulationen können nicht nur helfen die Performance möglicher neuer Batteriezellen zu beurteilen, sondern auch die mikroskopischen Ursachen dafür besser zu verstehen. Letzteres führt zu einem effizienteren Vorgehen in der Batterieentwicklung. Spinelle spinels Spinelle sind chemische Verbindungen des allgemeinen Typs AB2X4, wobei A,B Metallkationen sind, deren Oxidationszahl die Summe 8 ergibt, und X vorwiegend ein zweiwertiges Sauerstoff- bzw. Schwefel-Anion ist. Die positive Elektrode LiMn2O4 eines Lithium-Ionen-Akkus ist ein Beispiel dafür. State of Charge (SOC) Der SoC-Wert kennzeichnet die noch verfügbare Kapazität eines Akkus im Verhältnis zum Nominalwert. State of Function (SOF) State of Function bezeichnet die Fähigkeit der Batterie, eine bestimmte Anforderung zu erfüllen. Ein Beispiel hierfür ist die Startfähigkeit, das heißt das Vermögen der Batterie, die für einen Start des Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug notwendige Leistung zur Verfügung zu stellen. State of Health (SOH) Der SoH-Wert kennzeichnet den Zustand des Akkus und charakterisiert dessen Fähigkeit die angegebenen Spezifikationen zu erfüllen und zwar im Vergleich zu einem neuen Akku. Stromkollektor current collector Der Stromkollektor ist ein Gebilde innerhalb der Elektrode, das Stromfluss zwischen Zellenpolen und den aktiven Massen ermöglicht. Superkondensatoren super capacitors Superkondensatoren bezeichnen Hochleistungskondensatoren, die beim Bremsen in Fahrzeugen frei werdende Energie speichern können und bei Bedarf abgeben (Rekuperation). Systemintegration system integration Systemintegration beschreibt den Prozess, aus einzelnen technischen Komponenten ein funktionsfähiges Gesamtsystem aufzubauen. 46 T V W Z Thermal Runaway Mit dem Begriff »Thermal Runaway« wird das in extremen Situationen auftretende Überhitzen und Zerstören von Primär- und Sekundärzellen bezeichnet. Ein Thermal Runaway tritt durch übermäßige und sich selbst verstärkende Wärmeproduktion in den Zellen, und/oder mangelhafte Wärmeabfuhr an die Umgebung auf und kann zu Feuer und Explosionen führen. Thermomanagement thermal management Bei dem Thermomanagement in elektrischen Antrieben werden Ansätze und Lösungen entwickelt, mit denen die Energieströme in elektrifizierten Fahrzeugen optimal genutzt werden können. Verbindungstechnik connection technology Verbindungstechnik bezeichnet alle technologischen Teilprozesse, die zur Herstellung von Batterie-Systemen dienen. Verbindungstechniken helfen, die Grenzen immer weiter zu verschieben hin zu längerer Lebensdauer, höheren Betriebstemperaturen und kleineren, leichteren Modulen. Virtuelle Batterie virtual battery Eine virtuelle Batterie besteht aus der Kombination eines bidirektionalen Netzteils und eines Steuerrechners. Der Rechner wird dabei so angesteuert, dass das Klemmenverhalten des Netzteils dem einer realen Batterie entspricht. Verschiedene Prototypen virtueller Batterien werden in einigen Unternehmen der Automobilindustrie genutzt. Wickelzelle cylindrical cell Bei einer Wickelzelle werden die beiden bandförmigen Elektroden mit zwei Separatoren als Zwischenlage zu einem Wickel aufgedreht. Widerstand resistance Der elektrische Widerstand ist ein Maß dafür, welche elektrische Spannung erforderlich ist, um eine bestimmte elektrische Stromstärke durch einen elektrischen Leiter (Widerstand) fließen zu lassen. Wirkungsgrad efficiency Verhältnis von der entnommenen Kapazität zur eingeladenen Kapazität. Bei einem Bleiakku liegt er bei ca. 0,85. Zelle cell Jeder elektrochemische Energiespeicher besteht mindestens aus einer Zelle, d. h. ein Behältnis das zwei Elektroden enthält, die in innigem Kontakt zu einem Elektrolyten stehen und an denen die elektrochemischen Reaktionen ablaufen. Die Elektroden werden elektrisch durch einen Separator getrennt. Zellen werden in geschlossener, gasdichter und in offener Bauweise hergestellt. Aus dem Gehäuse werden zwei gegeneinander elektrisch isolierte Elektrodenanschlüsse geführt, der positive und der negative Pol. Bei der Verbindung der beiden Pole mit einem elektronischen Leiter (Verbraucher, Glühbirne) fließt durch diesen ein elektrischer Strom. 47 Glossar Zyklenstabilität cycle stability Zyklenstabilität bezeichnet die Anzahl von Zyklen, die eine Batterie durchlaufen kann, bevor ihre Kapazität unter einen bestimmten Prozentanteil der Anfangskapazität absinkt. Zyklus cycle Ein Zyklus ist eine Ladung, gefolgt von einer Entladung. 48 Impressum Fraunhofer-Allianz Batterien Autor Dr. Sophie Weixler Anschrift der Redaktion Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT Angewandte Elektrochemie Joseph-von-Fraunhofer-Str. 7 76327 Pfinztal Telefon +49 721 4640-731 [email protected] Produktion Alexandra Wolf, Fraunhofer ICT Bei Abdruck ist die Einwilligung der Redaktion erforderlich. © Fraunhofer-Allianz Batterien, Pfinztal, 2016 49 Die Fraunhofer-Allianz Batterien Sprecher der Allianz Prof. Dr. Jens Tübke Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT Joseph-von-Fraunhofer-Straße 7 76327 Pfinztal Telefon +49 721 4640-343 [email protected] Leiterin der Geschäftsstelle Dr. Sophie Weixler Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT Joseph-von-Fraunhofer-Straße 7 76327 Pfinztal [email protected] Titelbild: Fraunhofer ISC Telefon +49 721 4640-731