FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR PRODUKTIONSTECHNIK UND AUTOMATISIERUNG IPA BATTERIEPRODUKTION DIENSTLEISTUNGEN UND ARBEITSFELDER

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1 FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR PRODUKTIONSTECHNIK UND AUTOMATISIERUNG IPA BATTERIEPRODUKTION DIENSTLEISTUNGEN UND ARBEITSFELDER 1

2 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 Leistungsdichten werden vermehrt bei der Energierückgewinnung in der Antriebstechnik eingesetzt. Speziell Superkondensatoren kommen dann zum Einsatz, wenn die Schnellladefähigkeit im Vordergrund steht. Ein sehr großes Potenzial wird dabei der intelligenten Kombination 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 zentrales Leitthema und Forschungsgebiet des Fraunhofer IPA. 2

3 WAS WIR FÜR SIE TUN KÖNNEN! UNSERE DIENSTLEISTUNGEN IM BEREICH»BATTERIEPRODUKTION«Elektrodenherstellung mit pulverförmigem Dry-Blend-Funktionsmaterial Entwicklung von Automatisierungslösungen für die Zellassemblierung Planung von reinheitsspezifischer Prozessautomatisierung 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» UNSERE DIENSTLEISTUNGEN «3

4 BATTERIEPRODUKTION AM FRAUNHOFER IPA Industrie IPA Dienstleistungen Fachabteilung 1 Fachabteilung 2 Höhere Energiedichten in Kombination mit leistungsfähigeren Batterien erfordern ein erhöhtes Maß an Qualität und Sicherheit Automatisierung Handhabung Mensch- Maschine Beschichtung Materialauswahl Lackierprozess Maschine Qualität und Sicherheit Funktionale Sicherheit Risikoanalyse Batteriemanagement Intelligente Zelle Heizsysteme Prüfung Bildverarbeitung Thermografie Hausspeichersysteme Automotive Industriesysteme 4

5 UNSER KNOW-HOW UNSERE KOMPETENZEN IM BEREICH»BATTERIEPRODUKTION«Verwendung von Nanokohlenstoffen als Elektrodenmaterial Funktionalisierung der Oberfläche von Elektroden Trockenbeschichtung als Herstellungsverfahren für Elektroden Reinheitsspezifische Automatisierung und Präzisionsmontage Entwicklung und Nutzung digitaler Werkzeuge in der Produktion Technische Risikoanalyse zur Herstellung sicherer Energiespeicher Ressourceneffizienz und Close-Loop Supply Chains zur Reduktion von Rohstoffen und Ressourcen Fabrikplanung und Produktionsoptimierung» UNSERE KOMPETENZEN «5

6 UNSERE FACHBEREICHE Quelle: Nataliya Hora PRODUKTIONSORGANISATION Technische Risikoanalyse in der Entwicklungsphase und im Produktionsprozess Mittels Konstruktions- und Verfügbarkeits-FMEA entwickeln wir produkt- und prozessbezogene Maßnahmen zur technischen Optimierung und Steigerung der Zuverlässigkeit. 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 gesamtwirtschaftliche Optimierung des Montageprozesses nach den Kriterien Qualität, Kosten und Produktivität. Steigerung der betrieblichen Energieproduktivität Die Analyse und Optimierung des Energieeinsatzes erfolgt auf unterschiedlichen Aggregationsebenen, von der Produktions- bis hin zur Maschinenebene. Dafür werden Kennzahlen 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 feststellen 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 der Energieeffizienz. 6

7 OBERFLÄCHENTECHNIK Elektrodenbeschichtung Mit dem vom Labormaßstab bis zur Roll-to-Roll-Technikumsanlage ausgebauten Beschichtungsverfahren 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. Diese finden u. a. Anwendung in Funktionsmaterialien für Speicherzellen sowie Stromkollektoren und Separatoren für Speicherzellen. Elektrochemische Untersuchungen Elektrochemische Charakterisierung von Speicherzellen, der Bau von Speicherzellen im Laborformat, die Fertigung und Untersuchung der Zellen unter definierten Bedingungen sowie die Untersuchung auf Zyklenfestigkeit, Langzeitstabilität und Schnellspeichervermögen 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 gestaltet die dazugehörigen Prozesse energieeffizient. 7

8 AUTOMATISIERUNG Auslegung und Steuerung von reinen Fertigungen Die Planung von reinen Fertigungsumgebungen sowie die Auslegung von Produktionsanlagen und deren Komponenten gehören ebenso zu unserem Dienstleistungsspektrum wie die Schulung von Fertigungspersonal zu reinraum- oder sauberkeitsgerechtem Verhalten. 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 Teilund 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 Um das dynamische Verhalten von Logistik-, Materialfluss- und Produktionssystemen in kontaminationskritischen Fertigungsabläufen zu untersuchen, hat sich die Form der ereignisdiskreten Simulation etabliert. Um unternehmensspezifische Unterstützung zu gewährleisten, bieten wir zwei Leistungsstufen an: zum einen die eigene Entwicklung von Simulationsszenarien, zum anderen die Validierung und Betreuung fremd durchgeführter Simulationen. 8

9 Quelle: Mimi Potter Fotolia IT-Funktionalität zur Fertigungssteuerung und -optimierung Moderne IT-Systeme für die Produktion bieten zahlreiche Möglichkeiten Fertigungskosten 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. Selbstverständlich 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 erhöhen. 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 bestehenden oder neuen Produkten führen. 9

10 PROZESSTECHNOLOGIE Synthese von Nanomaterialien für Elektroden Das Fraunhofer IPA entwickelt nanoskalige Partikel nach kundenspezifischen Wünschen. Dabei wird nicht nur der Morphologie einzelner Materialien (Carbon Nanotubes, Carbon Nanohorns, Graphen, Graphen Nanoplatlets, Titandioxid Nanosheets oder auch sphärische 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 festlegen. Dazu führen wir chemische Funktionalisierungen mit COOH durch, metallisieren Kohlenstoff mithilfe von TiO2 oder dekorieren mit Nanocarbon Partikeln. Auch die gezielte 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 Dispersionen 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. 10

11 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 Eigenschaften wie z. B. Schichtdicke, Porosität und Leitfähigkeit ein. Evaluierung von Produktionsprozessen und Nanomaterialien Wir passen bestehende Beschichtungsverfahren für neue Pasten und Tinten an, skalieren Fertigungsprozesse für neue Materialien zur Herstellung von Superkondensatoren und Batterien. Auch Benchmarkanalysen für Elektrodenmaterialien gehören zu unserem Portfolio. Entwicklung multifunktioneller Oberflächen Metall-, Keramik- oder Nanocarbon-Beschichtungen an der Oberfläche sorgen für eine bessere Leitfähigkeit oder Tribologie. Sensorische und aktuatorische Eigenschaften lassen sich in die hergestellten Schichten integrieren. So können Oberflächen hergestellt werden, die als Sensor oder Aktor fungieren. Weiterhin sind Mehrschichtaufbauten mit unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen Schichten möglich. 11

12 IHRE ANSPRECHPARTNER Dipl.-Ing. Joachim Montnacher Geschäftsfeldleiter Energiewirtschaft Telefon Prof. Dr. Alexander Sauer Stellvertretender Geschäftsfeldleiter Energiewirtschaft Telefon Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA Nobelstr Stuttgart Institutsleitung Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl 12