Veilige, duurzame en niet dure batterijen worden steeds meer gevraagd om te voldoen aan de steeds toenemende behoefte aan een groter aandeel hernieuwbare energie in de energiemix en de elektrificatie van de transportsectoren. De ontwikkeling en rijping van nieuwe batterijtechnologieën (bijv. volledig vastestofbatterijen en batterijen die verder gaan dan Li-ion) is een complex proces en vereist een efficiënte holistische aanpak met aandacht voor chemische, verwerkings- en productieaspecten, te beginnen bij de vroege ontwerpfasen. In dit opzicht zijn de mogelijkheden voor schaalvergroting van muntcellen met lage capaciteit tot meerlagige cellen met hoge capaciteit, samen met geavanceerde karakteriseringsmethoden, echte pluspunten voor een O&O-laboratorium voor batterijen. Een dergelijke unieke infrastructuur is beschikbaar in het batterijontwikkelingslab van EnergyVille om de ontwikkeling van nieuwe batterijchemistries en -ontwerpen te versnellen.

Voordelen

EnergyVille biedt met zijn unieke combinatie van batterij-experts en geavanceerde infrastructuur een ultramoderne batterij R&D-omgeving. Naast een coin-cellijn beschikt het batterijlab over een unieke capaciteit voor de bereiding van poreuze elektrodes tot A4-formaat, met behulp van een reeks geavanceerde meng-, coating- en kalanderapparatuur. Hoogwaardige pouch-cellen kunnen worden geassembleerd in een droge ruimte van 85 m2 met een dauwpunt van -45°C. De droge ruimte bevat een automatische pouch cell-lijn met pneumatische snijder, automatische zigzagstapelaar, ultrasone lasser, pouch sealer en een vacuümkamer om de injectie van elektrolyt en het hersluiten na de vormingscyclus te vergemakkelijken. Bovendien is er een groep ex-situ en in-situ karakteriseringstechnieken beschikbaar om de elektrochemische en fysische eigenschappen van de cellen en batterijcomponenten, d.w.z. elektroden en elektrolyt, te beoordelen.

Slurry- en elektrodeverwerking:

• Slurry mengen: planetaire kogelmolen, horizontale parelmolen, verticale vacuümmenger, planetaire centrifugale vacuümmenger
• Desktop coater (tape casting), geautomatiseerde coater (tape casting & slot-die) met heteluchtdroogkop
• Kalandereenheid van 30 ton met verwarmde rollen

Assemblage van buidels en muntcellen:

• Muntstukcel: drukgestuurde muntstukkruller in glove box
• Zakjescel: halfautomatische zakjescelassemblage in droogkamer: snijder, zigzagstapelaar, ultrasone lasser, sluiten van zijkanten en lipjes, vacuümkamer voor injectie van elektrolyt

In-situ en ex-situ karakterisering van cel, elektrode en elektrolyt:

• Elektrochemisch: 8-kanaals batterijcycler (tot 15A), 16-kanaals potentiostaat voor geavanceerde elektrochemische karakteriseringstechnieken (tot 400mA), met koel- en verwarmingskamers, roterende ringschijfelektrode (RRDE).
• Fysisch/chemisch: heliumpyknometer voor het meten van de elektrodeporositeit, vloeistofdichtheidsmeter voor vloeibare elektrolyten, Karl Fischer titrator voor het meten van het watergehalte, in-situ coin-cell calorimeter voor thermische karakterisering van een batterij onder belasting, zeta-potentiaal analyser voor geconcentreerde oplossingen, reometer voor zowel roterende als oscillerende reologische tests, gasmassaspectrometer voor in-situ analyse van gassen tijdens de vormingscyclus van batterijen.

Toepassingen

Een breed scala aan projecten kan worden gerealiseerd, van evaluatie van nieuwe batterijconcepten tot optimalisatie van bestaande technologieën.

• Onderzoek en optimalisatie van nieuwe formuleringen voor batterijcomponenten (elektrode, elektrolyt, separator).
• Demonstratie van nieuwe batterijconcepten en -ontwerpen in zakcellen met hoge capaciteit.
• Gedetailleerde analyse van elektrochemische en thermische signatuur van cellen.
• Diepgaande analyse van verouderingsverschijnselen, foutdetectie en post-mortem analyses.
• Compatibiliteitsbeoordeling van nieuwe batterij-/componentontwerpen met bestaande industriële productienormen voor batterijen.

Klanten

Producenten van batterijcomponenten

• Actieve materialen
• Geleidende additieven
• Bindmiddelen
• Oplosmiddelen, zouten en elektrolytadditieven
• Separatoren en verpakkingsmaterialen

Eindgebruikers van batterijen (bijv. opslag in woningen, elektrische voertuigen)

• Diepgaande analyse van een batterijontwerp/chemie voor een bepaalde toepassing
• Proof of concept en demonstratie van nieuwe batterijontwerpen in zakcellen

Technische toelichting

De belangrijkste apparatuur in het Batterij Lab en hun technische specificaties worden hieronder samengevat:

Mengen, coaten en drogen

• Verticale vacuümmenger: capaciteit van 250 ml, 20.000 tpm (6000 tpm onder vacuüm)
• Horizontale parelmolen: maalkamer van 50 ml en slurryvolume tot 750 ml, parelgrootte van 0,25 tot 1 mm
• Planetaire kogelmolen: pot van 250ml, eindfijnheid <1mm
• Elektrodecoater: coatingbreedte 200 mm, mes en sleufmatrijs, snelheid van 0,1-1 m/min, heteluchtdroogsysteem
• Kalanderunit: rolbreedte 300 mm met verwarmingsoptie (150°C), verdichtingsdruk van ~1500N/m (30t @ 200mm)
• Thermische vacuümovens: 55 liter, tot 200°C en druk tot 0,01mbar

Muntcelassemblage in met Ar gevulde glove box

Assemblage van de cel (in een droge ruimte met een dauwpunt van -45°C)

• Elektrode ponser (snijder): pneumatische snijder voor anoden en kathoden met een standaardmaat van 32*46 en 31*45mm
• Z-vouw elektrode/separator stapeleenheid: automatisch oppakken en positioneren van de elektroden uit anode- en kathodebakken, automatisch opwikkelen/afwikkelen van separatorrol, pneumatische regeling van spanning op separator
• Ultrasoon tablasapparaat: ~20kHz ultrasoon lasapparaat voor batterijlipjes
• Sealer voor zij- en tabbladen: seallengte tot 300 mm

Karakterisering

• Batterijcycler: 8 kanalen, 0-9V, tot 15A, koel-/verwarmkamers -5 tot 100°C
• Potentiostaat: 16 kanalen, tot 450mA, 0-20V, 1nA resolutie, 8 kanalen met EIS
• RRDE: ~100-8000rpm, 15ml monstervolume
• Zetapotentiaalanalysator: pH 0-14, tot 60% vaste inhoud
• Reismeter: krachtbereik ~0,01 tot 50N, hoeksnelheid ~10-8 tot 300rad/s
• Heliumpyknometer: gasverplaatsing voor het meten van de porositeit van poreuze elektrodes
• Dichtheidsmeter vloeistof: dichtheidsbereik van 0 tot 3g/cm³, resolutie van 0,001g/cm³
• Gasmassaspectrometer: 200amu, reactietijd <500ms, gevoeligheid <5ppb, 5,10-15mbar
• Batterijcalorimeter: in-situ thermische karakterisering van muntcellen tussen -5 en 80°C, 0,1mW tot 0,5W warmtefluxdetectie
• Karl Fischer titrator: detectie van water in een bereik van 1 ppm tot 5%.

Dit lab biedt een ideale omgeving voor een efficiënte screening en evaluatie van nieuwe conceptmaterialen en elektrode-architecturen voor elektrochemische energieopslag- en conversietoepassingen. Een breed scala aan verwerkingsapparatuur en apparatuur voor elektrochemische karakterisering is beschikbaar om de voor- en nadelen van de kandidaatmaterialen of concepten op labschaal af te wegen. Voor elektrochemische energieopslagtoepassingen ondersteunt onze infrastructuur de hele verwerkingsstroom, van grondstoffen tot muntcellen, die vervolgens ook elektrochemisch getest kunnen worden op locatie. Naast (temperatuurafhankelijke) cyclustests zijn ook meer geavanceerde elektrochemische karakteriseringen mogelijk, zoals elektrochemische impedantiespectroscopie en in-operando Raman spectroscopiemetingen.

Voordelen

• Snelle responstijd
• Grondige evaluatie van de resultaten en feedback van experts
• Materiaalexpertise (synthese, verwerking, karakterisering, ...)
• Toegang tot een groot scala aan verwerkingsapparatuur en chemische en fysische karakteriseringsmethoden, beschikbaar binnen de Universiteit Hasselt en haar Instituut voor Materiaalonderzoek (IMO)

Toepassingen

• Elektrochemische apparaten, zoals:
  - Batterijen
  - Supercondensatoren
  - Brandstofcellen
  - Elektrolytische cellen

Klanten

• Producenten van: elektrochemisch actieve elektrodematerialen, binders, stroomcollectoren, (vloeibare of vaste) elektrolyten, celverpakkingen, additieven, separatoren, enz.
• Celproducenten (batterijen, supercondensatoren, brandstofcellen, elektrolytische cellen)

Onze belangrijkste competentie heeft betrekking op de synthese en karakterisering van organische en hybride organisch-anorganische halfgeleidende materialen en hun integratie in opto-elektronische apparaten met de nadruk op fotovoltaïsche en gezondheidszorgtoepassingen, hierbij strevend naar rationele structuur-eigenschap relaties. We voeren zowel fundamenteel als toegepast onderzoek uit en hebben een lange traditie in gezamenlijke wetenschappelijke R&D binnen Europese, nationale en regionale projecten, evenals dienstverlening voor de industrie en onderzoekscentra. We kunnen ondersteuning bieden in alle stappen van materiaalontwikkeling tot geavanceerde (structurele en opto-elektronische) materiaalkarakterisering, apparaatanalyse en prototypeproductie.

Voordelen

De expertise in materiaalchemie en (apparaat)fysica met betrekking tot organische en hybride halfgeleiders, en de state-of-the-art onderzoeksinfrastructuur die beschikbaar is aan het Instituut voor Materiaalonderzoek imo-imomec, is uniek in het Vlaams/Belgische landschap en is competitief op het hoogste Europese niveau, zoals blijkt uit onze vertegenwoordiging in verschillende nationale en internationale netwerken, onderzoeksprogramma's en projecten.

Toepassingen

• Organische en hybride organisch-anorganische perovskiet fotovoltaïsche cellen
• Fotodetectoren voor zichtbaar en nabij-infrarood licht
• Organische lichtemitterende diodes en apparaten voor bio-sensing en bio-elektronica
• Organische fotosensibilisatoren

Klanten

Alle soorten bedrijven die geïnteresseerd zijn in het toepassen van opkomende en zachte halfgeleidende materialen in opto-elektronische toepassingen, voor energie en geavanceerde toepassingen in de gezondheidszorg.