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BATTERIEPRODUKTIONDIENSTLEISTUNGEN UND ARBEITSFELDER

F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R

P R O D U K T I O N S T E C H N I K U N D A U T O M A T I S I E R U N G I P A

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Neuentwicklungen aus dem Bereich der Speichertechnologien versprechen vielfältige

Einsatzmöglichkeiten in der Intralogistik, in der Mobilität und bei Consumerprodukten.

Batterien mit hohen Energiedichten und Superkondensatoren mit hohen Leistungsdich-

ten werden vermehrt bei der Energierückgewinnung in der Antriebstechnik eingesetzt.

Speziell Superkondensatoren kommen dann zum Einsatz, wenn die Schnellladefähig-

keit im Vordergrund steht. Ein sehr großes Potenzial wird dabei der intelligenten Kom-

bination von Superkondensatoren und Batterien zugeschrieben.

Zur Leistungssteigerung der bestehenden elektrochemischen Energiespeichersysteme

bedarf es neuer funktionaler Nanomaterialien und der Entwicklung von innovativen

Produktionsprozessen für deren industrielle Herstellung. Energiespeicher sind ein zent-

rales Leitthema und Forschungsgebiet des Fraunhofer IPA.

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UNSERE DIENSTLEISTUNGEN» «

UNSERE DIENSTLE ISTUNGEN IM BEREICH

»BATTERIEPRODUKTION«

– Elektrodenherstellung mit pulverförmigem Dry-Blend-Funktionsmaterial

– Entwicklung von Automatisierungslösungen für die Zellassemblierung

– PlanungvonreinheitsspezifischerProzessautomatisierung

– Erstellung von Planungsunterlagen für die Werkstruktur bis hin zu

Layoutdarstellungen

– Erstellung von Marktanalysen zu Energiespeichern

– Durchführung von technischen Risikoanalysen von Fertigung bis zur

Lieferantenkette

– Optimierung von IT-Systemen für die Fertigungssteuerung

WAS WIR FÜR SIE TUN KÖNNEN!

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BATTERIEPRODUKTION AM FRAUNHOFER IPA

Industrie

– Handhabung– Mensch-

Maschine

– Material- auswahl

– Lackierprozess Maschine

– Bild- verarbeitung

– Thermografie

– Funktionale Sicherheit

– Risikoanalyse

– Intelligente Zelle

– Heizsysteme

Höhere Energiedichten in Kombination mit leistungsfähigeren Batterien erfordern ein erhöhtes Maß an Qualität und Sicherheit

IPA Dienstleistungen

Fachabteilung 1

Fachabteilung 2

Beschichtung PrüfungQualität und

SicherheitBatterie-

managementAutomatisierung

Hausspeichersysteme Automotive Industriesysteme

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UNSER KNOW-HOW

UNSERE KOMPETENZEN

UNSERE KOMPETENZEN IM BEREICH »BATTERIEPRODUKTION«

– Verwendung von Nanokohlenstoffen als Elektrodenmaterial

– FunktionalisierungderOberflächevonElektroden

– Trockenbeschichtung als Herstellungsverfahren für Elektroden

– ReinheitsspezifischeAutomatisierungundPräzisionsmontage

– Entwicklung und Nutzung digitaler Werkzeuge in der Produktion

– Technische Risikoanalyse zur Herstellung sicherer Energiespeicher

– RessourceneffizienzundClose-LoopSupplyChainszurReduktion

von Rohstoffen und Ressourcen

– Fabrikplanung und Produktionsoptimierung

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PRODUKTIONSORGANISATION

Technische Risikoanalyse in der Entwicklungsphase und im Produktionsprozess

Mittels Konstruktions- und Verfügbarkeits-FMEA entwickeln wir produkt- und prozess-

bezogene Maßnahmen zur technischen Optimierung und Steigerung der Zuverlässig-

keit. Potentielle Fehler decken wir in der Fertigung systematisch auf und stimmen die

Analyse mit den bestehenden und geplanten Prüfmaßnahmen in der Montage ab.

Aufbauend auf den Ergebnissen sog. Fehlerprozessmatrizen erreichen wir eine gesamt-

wirtschaftliche Optimierung des Montageprozesses nach den Kriterien Qualität,

Kosten und Produktivität.

Steigerung der betrieblichen Energieproduktivität

Die Analyse und Optimierung des Energieeinsatzes erfolgt auf unterschiedlichen Aggre-

gationsebenen, von der Produktions- bis hin zur Maschinenebene. Dafür werden Kenn-

zahlen zu Energieeinsparungen, Investitionskosten sowie Amortisationszeit ermittelt und

Verbesserungsmaßnahmen parallel zur laufenden Fertigung bewertet. Mithilfe dieser

Ergebnisse lässt sich zum Beispiel der Energieverbrauch in Fertigungslinien präzise fest-

stellen und langfristig senken.

Fabrikplanung und Produktionsoptimierung

Von Grob bis ins Detail bietet das Fraunhofer IPA die Planung der Werkstruktur bis hin

zu Layoutdarstellungen. Für den zukunftsweisenden Fabrikbetrieb integrieren wir mit

unseren Fachspezialisten bedarfsorientiert Industrie 4.0-Technologien und optimieren

parallel die logistische, wertschöpfende Leistungsfähigkeit der Produktion hinsichtlich

derEnergieeffizienz.

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UNSERE FACHBEREICHE

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OBERFLÄCHENTECHNIK

Elektrodenbeschichtung

Mit dem vom Labormaßstab bis zur Roll-to-Roll-Technikumsanlage ausgebauten Be-

schichtungsverfahren werden neue Elektroden unter produktionsähnlichen Bedingungen

mit pulverförmigem Dry-Blend-Funktionsmaterialmischungen hergestellt.

Charakterisierung von Basismaterialien für elektrische Speicherzellen

Im Bereich der Analyse und Lackchemie umfasst unser Portfolio die Untersuchung der

Leitfähigkeit und Permittivität, Porositätsmessungen (z. B. BET- bzw. DSC-Messungen)

sowie Partikelgrößenanalyse mit diversen Methoden für elektrische Speicherzellen.

Diesefindenu.a.AnwendunginFunktionsmaterialienfürSpeicherzellensowieStrom-

kollektoren und Separatoren für Speicherzellen.

Elektrochemische Untersuchungen

Elektrochemische Charakterisierung von Speicherzellen, der Bau von Speicherzellen im

Laborformat,dieFertigungundUntersuchungderZellenunterdefiniertenBedingungen

sowie die Untersuchung auf Zyklenfestigkeit, Langzeitstabilität und Schnellspeicherver-

mögen bilden unsere Dienstleistungen im Bereich der elektrochemischen Untersuchungen.

Galvanische Prozesse und Verfahren für die Energietechnik

Wir entwickeln elektrochemische Herstellungsverfahren für Elektrodenmaterialien und

Stromleiter in elektrischen Speichern sowie die zur industriellen Umsetzung notwendige

Anlagentechnik. Außerdem unterstützt das Fraunhofer IPA Sie bei der Optimierung von

galvanischen Schichten oder Schichtsystemen in energietechnischen Anwendungen und

gestaltetdiedazugehörigenProzesseenergieeffizient.

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AUTOMATISIERUNG

Auslegung und Steuerung von reinen Fertigungen

Die Planung von reinen Fertigungsumgebungen sowie die Auslegung von Produktions-

anlagen und deren Komponenten gehören ebenso zu unserem Dienstleistungsspektrum

wie die Schulung von Fertigungspersonal zu reinraum- oder sauberkeitsgerechtem Ver-

halten. Des Weiteren werden praktikable Lösungen für den Umgang mit komplexen

Informationen in der Produktion von Energiespeichern zusammen mit dem Kunden

entwickelt.

Reinheitsspezifische Prozessautomatisierung

Unser Automatisierungslabor bietet die einzigartige Möglichkeit, die individuellen

Fragestellungen der automatisierten Handhabung im industriellen Maßstab abzubilden

und Potenziale für die methodische Verbesserung zu erörtern. Im Fokus liegen dabei Teil-

und Gesamtsysteme von Transport- und Umschlagstationen kontaminationskritischer

Werkstücke in einer Volumenproduktion. Wir ermöglichen u. a. die Entwicklung und

Erprobung von Automatisierungslösungen für die reine und präzise Zellassemblierung

in der Batterieproduktion (u. a. Wickelmontage in Gehäuse, Stacking von Elektroden).

Materialflussoptimierung in definierter Fertigungsumgebung

UmdasdynamischeVerhaltenvonLogistik-,Materialfluss-undProduktionssystemenin

kontaminationskritischen Fertigungsabläufen zu untersuchen, hat sich die Form der er-

eignisdiskretenSimulationetabliert.UmunternehmensspezifischeUnterstützungzu

gewährleisten, bieten wir zwei Leistungsstufen an: zum einen die eigene Entwicklung

von Simulationsszenarien, zum anderen die Validierung und Betreuung fremd durchge-

führter Simulationen.

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IT-Funktionalität zur Fertigungssteuerung und -optimierung

Moderne IT-Systeme für die Produktion bieten zahlreiche Möglichkeiten Fertigungs-

kosten zu senken und die Produktqualität zu erhöhen. Wir entwickeln zusammen mit

Implementierungs- und Anwendungspartnern innovative Lösungen für die Planung,

Steuerung und Optimierung von Produktionssystemen, wie z. B. MES (Manufacturing

Execution Systeme), inklusive typischer Funktionsbausteine wie Materialverwaltung,

Prozess- und Produktnachverfolgung, Scheduling, SPC (Statistical Process Control) und

APC (Advanced Process Control). Die Entwicklung von Experimenten-Management-

Systemen für Laborumgebungen gehört ebenso zu unserem Portfolio. Selbstverständ-

lich unterstützen und begleiten wir Sie auch bei deren Einführung.

Cloud Platformen im Produktionsumfeld

Cloud-Technologien bieten enormes Potenzial, wenn es darum geht, laufende IT-Kosten

zu senken und die Verfügbarkeit von unternehmenskritischen Anwendungen zu er-

höhen. Auch im Produktionsumfeld können Konzepte aus dem Cloud-Umfeld zu einer

Optimierung der Fertigungsprozesse, einer zukunftsgerichteten Neuausrichtung der

Produktions-IT, aber auch zur Bildung neuer Geschäftsmodelle in Verbindung mit be-

stehenden oder neuen Produkten führen.

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PROZESSTECHNOLOGIE

Synthese von Nanomaterialien für Elektroden

DasFraunhoferIPAentwickeltnanoskaligePartikelnachkundenspezifischenWünschen.

Dabei wird nicht nur der Morphologie einzelner Materialien (Carbon Nanotubes, Carbon

Nanohorns, Graphen, Graphen Nanoplatlets, Titandioxid Nanosheets oder auch sphäri-

sche Nanopartikel) in Größe und Eigenschaften Rechnung getragen – auch Hybride lassen

sich gezielt herstellen.

Funktionalisierung von Nanomaterialien für Elektroden

Je nach Verwendungszweck können wir gezielt die Eigenschaften von Materialien fest-

legen. Dazu führen wir chemische Funktionalisierungen mit COOH durch, metallisieren

Kohlenstoff mithilfe von TiO2 oder dekorieren mit Nanocarbon Partikeln. Auch die ge-

zielte Herstellung von Hybriden und die Anbindung an bisher genutzte Materialien sind

möglich. Ein typisches Anwendungsbeispiel für eine solche Funktionalisierung sind Metalle

mit CNT-Verstärkung.

Dispergieren von Nanomaterialien für Elektroden

Die Formulierung, Entwicklung und Auslegung der Prozesse zur Herstellung von Dis-

persionen bilden die Grundlage zur Einarbeitung der Aktivmaterialien in wasser- oder

lösemittelhaltige Flüssigkeiten. Die gleichmäßige Verteilung der Aktivmaterialien, deren

Partikelgröße und Langzeitstabilität sind wichtige Einstellungsmerkmale der Dispersionen.

Um diese mittels herkömmlichen Beschichtungsverfahren weiter verarbeiten zu können,

werden rheologische Eigenschaften mittels Additiven und Prozessparameter gesteuert

und angepasst.

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Herstellung von Elektroden für Energiespeicher

Zu den Verfahrensschritten der nasschemischen Herstellung von Elektroden zählen die

Anpassung bestehender Fertigungsprozesse auf Pasten und Tinten, die Entwicklung

neuer Elektrodenmaterialien sowie die Herstellung der Elektroden (mittels Siebdruck,

Sprühen, Rakeln und Tiefdruck). Für die Optimierung von Energiespeichern evaluieren

wir neue Elektrodenmaterialien, nehmen Strukturierungen vor und stellen die Eigen-

schaften wie z. B. Schichtdicke, Porosität und Leitfähigkeit ein.

Evaluierung von Produktionsprozessen und Nanomaterialien

Wir passen bestehende Beschichtungsverfahren für neue Pasten und Tinten an, ska-

lieren Fertigungsprozesse für neue Materialien zur Herstellung von Superkondensatoren

und Batterien. Auch Benchmarkanalysen für Elektrodenmaterialien gehören zu unserem

Portfolio.

Entwicklung multifunktioneller Oberflächen

Metall-,Keramik-oderNanocarbon-BeschichtungenanderOberflächesorgenfüreine

bessere Leitfähigkeit oder Tribologie. Sensorische und aktuatorische Eigenschaften

lassensichindiehergestelltenSchichtenintegrieren.SokönnenOberflächenherge-

stellt werden, die als Sensor oder Aktor fungieren. Weiterhin sind Mehrschichtauf-

bauten mit unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen Schichten möglich.

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IHRE ANSPRECHPARTNER

Dipl.-Ing. Joachim Montnacher

Geschäftsfeldleiter Energiewirtschaft

Telefon +49 711 970-3712

joachim.montnacher@ipa.fraunhofer.de

Prof. Dr. Alexander Sauer

Stellvertretender Geschäftsfeldleiter Energiewirtschaft

Telefon +49 711 970-3600

alexander.sauer@ipa.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für

Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Nobelstr. 12 | 70569 Stuttgart

www.ipa.fraunhofer.de

Institutsleitung

Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl

www.ipa.fraunhofer.de/energiewirtschaft