1 Competence E

BATTERIETECHNIKUM

www.kit.edu KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

Batterietechnikum @ KIT

2 Batterietechnikum

KIT in Zahlen und Fakten

5 Campus – 200 ha Fläche

9.239 Beschäftigte 1.012 internationale

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler

3.200 Doktorandinnen

und Doktoranden 55 Patentanmeldungen

25.495 Studierende

Budget KIT

851 Mio. EUR

Stand 2016

365 Professorinnen, Professoren,

leitende Wissenschaftlerinnen

und Wissenschaftler

30% Land 39%

Dritt- mittel

21 Spin-Offs und Start-Ups

464 Auszubildende

300 Gebäude mit 430.000 qm

Nutzungsfläche

31% Bund

3 Batterietechnikum

Herausforderungen durch gesellschaftlichen

und technologischen Wandel

• Klimaschutzziele

• Umbau der Energieversorgung

• Senkung lokaler Emissionen

E-Mobilität Stationäre Energiespeicher

4 Batterietechnikum

Kosteneffektives Produktdesign und Produktionstechnologien

Hochenergie-Materialien

Kompakte Zelldesigns

Modulare Batteriedesigns

Optimierte Fertigungsverfahren

Anwendungsorientierte Elektronik

Intelligente Systemsteuerung

Anforderungen der Energiewende, Wirtschaftlichkeit der Anwendungen

Systemkompetenz über die Wertschöpfungskette

Material Zelle Batterie Gesamt-

system

Inverter/

WR

5 Batterietechnikum

KIT Batterietechnikum

Helmholtz Energy

Materials Foundry

(HEMF)

Labor für

Elektroden-

fertigung

KIT Zell-

assemblierung

Batterien in der

Anwendung

6 Batterietechnikum

Schließen der Lücke zwischen Material und

Batteriesystemen

Integration von neuen und innovativen Materialien in die Zelle

Fokus auf das Zusammenspiel der Komponenten anstatt nur auf einzelne

Materialien

Entwicklung von neuen Technologien für die Fertigung und

Assemblierung

Zellentwicklung mit Blick auf weitere Verarbeitung und Charakterisierung

Material Batterie

Pulversynthese und

Konditionierung

Elektroden-

beschichtung

Elektroden-

modifizierung

Zell-

assemblierung

Charakterisierung und Tests

7 Batterietechnikum

Labormaßstab 1 - 10 kg Massenproduktion

www.valence.com

x 105 x 105

Entwicklung von neuen Materialien

Helmholtz Materials Foundary (HEMF) zur Material-

synthese: Infrastrukturerweiterung bis Q2/2019

Herausforderungen des Material Up-Scaling

Übertragung der Synthesestrategien von der Laborsynthese im kleinen

Maßstab auf skalierbare Prozesse

Erhaltung der Pulverqualität während des Up-Scaling

Reproduzierbarkeit der Prozesse für die Materialsynthese bis 10 kg

Hohe Flexibilität bei der Material- und Prozessoptimierung

8 Batterietechnikum

Neue Fertigungsverfahren für Elektroden

Elektrodenmodellierung

Innovative Beschichtungs-

technologien

Laserstrukturierung

Dicke Elektroden

Kalandriertechniken

100 µm

9 Batterietechnikum

Die Zellherstellung ist einer der größten

Kostentreiber im Produktionsprozess

Kosteneffiziente Assemblierungsprozesse sind

notwendig

Motivation

Neue Konzepte zur Stapelbildung

Hohe Stapelgenauigkeit und

Prozessgeschwindigkeit

Kosteneffiziente Automation

Prozessqualität

Zielsetzung

Ansatz

Ergebnisse

Defined Electrode-Position

Anode

Cathode

Steel Strip Cutting Laser Cutting Die Cutting

An

od

e

Cath

od

e

Diskontinuierlich: Cut-and-Place Kontinuierlich: Helix

Guide bars

Die cutter

cylinder Vacuum

ejector

Electrode

web

Vacuum

gripper

Die cutting

punch Tool

aperture

Integriertes Handhabungssystem

Direkte Platzierung auf Zellstapel

Positionierung durch Stanzform

Kontinuierlicher Prozess

Kein Schneiden und Greifen

Geeignet für die Verarbeitung dicker Elektroden

Sehr hohe Genauigkeit durch nur einen Freiheitsgrad

Saubere Schneidkanten für hohe Zyklenlebensdauer

Keine Beschädigung dicker Elektroden

Vermeidung von Faltenbildung

Entwicklung parametrisierter FEM Modelle

10 Batterietechnikum

Entwicklung von Hoch-Energie Li-Ionen Zellen

Fertigung von Laborzellen und

Pouchzellen bis zu 20 Ah

Bau von Prototypen und Kleinserien

Entwicklung von Elektrolyten und

Elektroden

Validierung neuer Rohstoffe und

Herstellungsprozesse

Klärung von Ausfallmechanismen

mit forcierten Zellfehlern

11 Batterietechnikum

Hohe Zellqualität und Performance

Hohe Zyklenstabilität und

Reproduzierbarkeit

Etabliertes Qualitätssystem

Erfahrenes, festangestelltes

Laborpersonal 80

85

90

95

100

105

110

115

120

0 50 100 150 200 250

Rel.

Kap

azit

ät

/ %

Nr. Referenzzelle

Entladekapazität Laborzellen

75

80

85

90

95

100

105

0 1000 2000 3000 4000

Rel.

Kap

azit

ät

/ %

Zyklus

KIT Pouchzellen 20 Ah (1C cha / 1C dch)

1C1C 20Ah (#11946) 1C1C 20Ah (#11947)

75

80

85

90

95

100

105

0 500 1000 1500 2000 2500

Rel.

Kap

azit

ät

/ %

Zyklus

88 mAh KIT Laborzellen (2C cha / 3C dch)

2C3C (#21945) 2C3C (#21946) 2C3C (#21947)

12 Batterietechnikum

Testfeld mit Kanälen bis zu 200 A

Klimakammern

Zellcharakterisierung und Post-mortem

Analysen (z.B. Elektronenmikroskopie, CT,

Impedanzspektroskopie)

Testumgebung für sicherheitskritische Tests

in Entwicklung

Benchmark kommerzieller Zellen

Fortschrittliche Zelltestinfrastruktur

13 Batterietechnikum

Schließen der Lücke zwischen Zellen und

Energiespeichersystemen

Integration anwendungsspezifischer Batterie Management Systeme

Leistungselektronik-Design für hocheffiziente Speicher-Netz-Integeration

Hardware und Software-Entwicklung für fortschrittliche Speichersysteme

Berücksichtigung von Performance, Sicherheit und Kosten

Batterie-

zelle

System-

integration

Elektrische, thermische und

und sicherheitstechnische

Optimierung

Batterie

Management

Systeme

Leistungs-

elektronik- und

Systemoptimierung

Batteriesystemintegration

14 Batterietechnikum

Modulare Batteriekonzepte

Elektrische Simulation

Thermische Simulation

Optimierte Verschaltungstopologien

Batterie Management System

Hardware Engineering

Modulare Fertigungskonzepte

15 Batterietechnikum

Assemblierung von Batteriepacks

Kostengünstige Assemblierungsprozesse

Teilautomatisierte robotergestützte Schweiß-

Produktionslinie

Flexible Designs

Geringer Übergangswiderstand

Inline Qualitätskontrolle

16 Batterietechnikum

FastStorage BW II – Powercap

Speichersysteme

Entwicklung von Speichersystemen

basierend auf Powercaps

Erfolgreich getestet nach UN38.3:

T2-T5, T7

Steigerung der Energieeffizienz und

Reduzierung von Lastspitzen

Erster Powercap-Prototyp in industriellen

Anwendungen!

Projektpartner:

17 Batterietechnikum

Netzintegrierte Pilotsysteme mit verschiedenen

Industriepartnern für wirtschaftliche Anwendungen

AC-gekoppeltes System DC-gekoppeltes System

Zwei verschiedene Systeme zur Identifizierung von …

dem besten System für verschiedene Applikationen

Vorteilen und Nachteilen

Batterie 50 kWh,

Leistung 250 kW,

PV 36 kWp

Batterie 32 kWh,

Leistung 30 kW,

PV 26 kWp

18 Batterietechnikum

Intelligentes Energiemanagement durch

KIT-Steuersoftware

Autarke Steuerung des PV-

Batteriespeicher-Systems

Vorhersage von Last und

PV-Erzeugung

Unabhängigkeit von externen Wetterprognosen: Software ist somit

für jeden Standort weltweit einsetzbar

Verlängerung der Lebensdauer der Batterien durch eine optimale

und schonende Betriebsweise der Batterien

0 4 8 10 18 22 12 14 16 20

kW

PV

Last/E

rzeugung

Verbrauch

laden

entladen

19 Batterietechnikum

Inbetriebnahme in 2015

Intelligente Gesamtsystemsteuerung

Erhöhung des Eigenenergieverbrauchs

Kappung von Bezugsspitzen bis zu 30 %

Spitzenlastreduzierung in industriellen

Anwendungen

PV 31 kWp

Batterie 76 kWh, Wechselrichter 60 kWp

20 Batterietechnikum

Lithium-Ionen Großspeicher im Energy Lab 2.0

Kapazität 1.25 MWh

Leistung 2 x 100 kW bis 1 x 1.8 MW

Innovatives Kühlsystem

Intelligente Batteriesteuerung

Anwendungen:

Netzparallel oder netz-

stellender Betrieb

Netzdienstleistungen

Industrieanwendungen

Quartierspeicher

Inbetriebnahme in Q3/2018

21 Batterietechnikum

Experimentelle Validierung im 1 MW

Solarspeicherpark

Über 100 Photovoltaik-Testanlagen, Wechselrichter verschiedenster Hersteller,

Anschlüsse für 18 unterschiedliche Batterien

22 Batterietechnikum

Tests von 20 kommerziell verfügbaren “Batterie-Heim-

speichern” in einer Hardware-in-the-Loop (HiL)

Testumgebung

Sicherheit

Performance

Standby-Verluste

Batteriewirkungsgrad

Wirkungsgrad der Leistungselektronik

Reaktionsgeschwindigkeit des Speichers

Intelligente Systemsteuerung

Netzdienlichkeit

Reduktion von PV-und Lastspitzen

Intelligente Systemsteuerung

Heimspeicher auf dem Prüfstand –

das Projekt „SafetyFirst“

Autarkiegrad

Eigen-

verbrauch

23 Batterietechnikum

Sicherheit von elektrischen Energiespeichern -

Gremienarbeit

Definition von Sicherheitsstandards in Zusammenarbeit mit der Industrie,

Prüfinstituten und anderen Forschungseinrichtungen:

Beteiligung bei der Entwicklung von verschiedenen Normen:

Sicherheitsleitfaden für Lithium-Ionen Hausspeicher in 2014:

Definiert den Stand der Technik, Grundlage für VDE-AR-E 2510-50

VDE-AR-E 2510-50:2017 (internationales Interesse zur Übernahme dieser

Norm): Sicherheit von stationären Speichern mit Lithium-Ionen Batterien

Revision von UN38.3 Tests für den Transport von Li-Ionen Zellen und

Batterien in Ausarbeitung

Nationale Umsetzung der RFG, z.B. VDE-AR-N 4105:

Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz

24 Batterietechnikum

Kontakt

Batterietechnikum

Karlsruher Institut für Technologie

Hermann-von-Helmholtz-Platz 1

76344 Eggenstein-Leopoldshafen

Gebäude 276

Mail: office@batterietechnikum.kit.edu

www.batterietechnikum.kit.edu