Mitgliedsinstitute im Fraunhofer ZESS

Gemeinsam für die Energiespeicher der Zukunft
Im Fraunhofer ZESS bündeln drei Fraunhofer-Institute ihre Expertise, um Batterie- und Wasserstofftechnologien entscheidend voranzubringen – von den Materialien über die Produktion bis zur Systemintegration. Erfahren Sie mehr über die Kompetenzen und Standorte unserer Mitgliedsinstitute und wie sie gemeinsam an Lösungen für die Energie- und Mobilitätswende arbeiten.

Das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Christoph Herrmann ist ein innovativer Partner für Forschung und Entwicklung in der Oberflächentechnik mit Kompetenzen in den zugehörigen Produkt- und Produktionssystemen. Das Institut konzentriert seine Arbeiten im Bereich von innovativen Energiespeichern und -wandlern in der Abteilung »Nachhaltige Batterie- und Wasserstoffsysteme« von Prof. Dr.-Ing. Sabrina Zellmer. Der Fokus der Aktivitäten liegt auf der Material- und Prozessentwicklung für recyclingfähige Energiespeicher sowie der dazugehörigen Gestaltung von Fabriksystemen zur Herstellung von kreislauffähigen und nachhaltigen Energiespeichern und Wasserstofftechnologien. Die Arbeitsgruppe »Material- und Prozessentwicklung« fokussiert dabei auf die Herstellung und Funktionalisierung neuartiger Batteriematerialien, beispielsweise von Festelektrolyten und Lithium-Metall-Anoden. Die traditionellen Kernkompetenzen des Instituts im Bereich der Oberflächentechnik wie z. B. das Aufbringen von Schutzschichten oder die Herstellung dünnster Metallschichten sind dabei von essentieller Bedeutung. Ein wesentlicher Schwerpunkt liegt hier in der Herausforderung der Skalierung der zugehörigen Produktionsprozesse vom Labor- in den Pilotmaßstab. Die Arbeitsgruppe »Nachhaltige Prozessketten für Batteriesysteme« adressiert die ganzheitliche Gestaltung des Produktionssystems für Energiespeicher. Dabei werden vielfältige und komplexe Wechselwirkungen zwischen Produkt, Prozessen, technischer Gebäudeausrüstung und Gebäude berücksichtigt. Schwerpunkte liegen insbesondere auf Methoden der »Digitalen Fabrik« wie der Simulation und dem Aufbau »digitaler Zwillinge« von Produkten und Prozessen. Zur Betrachtung des gesamten Produktlebenszyklus werden zudem unter Einsatz von Methoden wie »Life Cycle Assessment« und »Life Cycle Costing« Nachhaltigkeitsindikatoren von Energiespeichern quantifiziert und bewertet, um den Weg der nachhaltigen Produktgestaltung zu begleiten. Auch die Versorgungssicherheit sowie soziale Aspekte wie z. B. Arbeitsbedingungen beim Abbau der benötigten Rohstoffe werden im Sinne einer Nachhaltigkeitsbewertung berücksichtigt. Somit lassen sich Vor- und Nachteile neuer Generationen von Energiespeichern bereits im Vorfeld umfassend vergleichen und Problemverschiebungen – z. B. von der Produktnutzung in die Vorkette der Produktion – frühzeitig erkennen und vermeiden.

www.ist.fraunhofer.de

1968 gegründet und 1974 in die Fraunhofer-Gesellschaft integriert, ist das Fraunhofer IFAM eine der europaweit bedeutendsten unabhängigen Forschungseinrichtungen auf den Gebieten Klebtechnik, Oberflächen, Formgebung und Funktionswerkstoffe. Im Mittelpunkt stehen an allen fünf Institutsstandorten – Bremen, Dresden, Stade, Wolfsburg und Braunschweig sowie am Testzentrum für maritime Technologien auf Helgoland – Forschungs- und Entwicklungsarbeiten mit dem Ziel, unseren Kunden zuverlässige und anwendungsorientierte Lösungen zu liefern. Produkte und Technologien adressieren vor allem Branchen mit besonderer Bedeutung für die Zukunftsfähigkeit: Automotive, Energietechnik, Luftfahrt, maritime Technologien sowie Medizintechnik und Life Sciences. Am Institut entwickelte Verfahren kommen aber auch in anderen Wirtschaftszweigen wie dem Maschinen- und Anlagenbau, der Elektronik und elektrotechnischen Industrie sowie dem Schiff- und Schienenfahrzeugbau oder der Verpackungs- und der Bauindustrie zur Anwendung.

Derzeit bündeln über 700 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus 20 Abteilungen und zahlreichen Arbeitsgruppen ihr breites technologisches und wissenschaftliches Know-how in sieben Kernkompetenzen: Metallische Werkstoffe, Polymere Werkstoffe, Oberflächentechnik, Kleben, Formgebung und Funktionalisierung, Elektromobilität sowie Automatisierung und Digitalisierung. Diese Kernkompetenzen – jede für sich und im Zusammenspiel – begründen die starke Position des Instituts am Forschungsmarkt und bilden die Basis für zukunftsorientierte Entwicklungen zum Nutzen der Gesellschaft.

Dabei deckt das Fraunhofer IFAM die gesamte Wertschöpfungskette von der Materialentwicklung über das Produktdesign bis hin zur Integration in die industrielle Fertigung ab – einschließlich Pilotfertigung, Qualitätssicherungsverfahren und gezielter Maßnahmen zur Personalqualifizierung in neuen Technologien.

Forschung zur Energiespeicherung

Basierend auf den langjährigen Kompetenzen zur Pulvertechnologie, Grenzflächenforschung, Polymerchemie und zu elektrischen Energiespeichern bildet die Entwicklung von Festkörperbatterien auf polymer- und sulfidbasierten Kompositen einen Forschungsschwerpunkt am Fraunhofer IFAM. Neben Fragestellungen zur Materialauswahl sind geeignete Prozesstechnologien für derartige Batteriezellen im industriellen Maßstab von Bedeutung.

Im Bereich der chemischen Wasserstoffspeicherung entwickelt das Institut neuartige Materialien und deren Verarbeitungstechnologien sowie technische Komponenten zur bedarfsgerechten Wasserstofferzeugung für Brennstoffzellensysteme, die bei niedrigen Systemdrücken sehr hohe volumetrische und gravimetrische Energie- und Leistungsdichten erlauben.

www.ifam.fraunhofer.de

Das Fraunhofer IKTS ist mit etwa 700 Mitarbeitern eine der weltweit größten Einrichtungen, die sich der Arbeit mit anorganisch-nichtmetallischen Funktionswerkstoffen widmet. Diese Materialklasse ist die Grundlage für viele Batterien, Brennstoffzellen und abgeleitete Technologien wie die Elektrolyse. Das IKTS deckt dabei die komplette Wertschöpfungskette der Herstellung solcher Systeme ab, von der Synthese der Aktivmaterialien über die Verfahrenstechnik zur Aufbereitung und Veredelung der Materialien, die Formulierung von Suspensionen und Feedstocks für die Herstellung von Kernkomponenten, die Anwendung verschiedenster Formgebungsverfahren bis hin zur Systemintegration sowie zum Test und Betrieb von Batteriezellen, Brennstoffzellen, verfahrenstechnischen Reaktoren und Gesamtsystemen. Das IKTS beschäftigt sich im Grundsatz mit allen Batteriezelltypen, auf die die spezifischen Technologien der Keramik anwendbar sind, d. h. mit Lithium-Zellen aller drei Generationen sowie Natrium-Festelektrolyt-Zellen. Verfahrenstechnische Gesamtsysteme werden am IKTS bisher insbesondere im Bereich der Brennstoffzellen- und Elektrolysetechnik entwickelt und aufgebaut, in Teilen auch für Power-to-X-Systeme. Prozessbegleitend werden zerstörungsfreie Prüfverfahren zur Inline-/End-of-line-Qualitätssicherung entwickelt, wobei verschiedenste Methoden der Akustik, Elektromagnetik, Optik und Mikroskopie in neuartige Systeme integriert werden. Am IKTS werden langjährige Erfahrungen aus den Sektoren Energie-, Automobil- und Produktionstechnik eingebracht und zunehmend zu integralen Konzepten der vernetzten und adaptiven Produktion weiterentwickelt. Eine unikale Kompetenz ist dabei die Zusammenführung multipler Datenquellen (Sensorfusion) sowie die Analyse und Optimierung von Produktionsparametern mittels modernster Methoden des Maschinellen Lernens. 

www.ikts.fraunhofer.de