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: [email protected]
www.batterietechnikum.kit.edu