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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
Prof. Dr. Alexander Sauer
Stellvertretender Geschäftsfeldleiter Energiewirtschaft
Telefon +49 711 970-3600
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