Cell-Fi

Beschleunigung der Elektrolytaufnahme durch optimierte Befüllungs- und Wettingprozesse

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.08.2016 bis 31.07.2019
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 1.288.574,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: 1.288.574,00 €

 

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Teilprojekt 1

Struktur-Prozess-Eigenschaftsbeziehungen bei der Elektrolytbefüllung von Lithium-Ionen-Batterien

Förderkennzeichen: 03XP0069A

Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Battery LabFactory Braunschweig
38106 Braunschweig
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Teilprojekt 2

Elektrolyt- und Separatorcharakterisierung beim Befüllen und Benetzen

Förderkennzeichen: 03XP0069B

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
48149 Münster
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Teilprojekt 3

Förderkennzeichen: 03XP0069C

Technische Universität München, Fakultät für Maschinenwesen - Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften
85748 Garching
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Teilprojekt 4

Separatoren-Benchmark für die Elektrolytbefüllung

Förderkennzeichen: 03XP0069D

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Fakultät für Maschinenwesen - Lehrstuhl für Production Engineering of E-Mobility Components
52074 Aachen
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Teilprojekt 5

Simulation der Elektrolytbefüllung

Förderkennzeichen: 03XP0069E

Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik, Strömungs- und Materialsimulation
67663 Kaiserslautern
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Fördergeber: BMBF, Referat 511
BMBF, Referat 523

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil:
Technologie- und Innovationsförderung

Förderart:
PDIR

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Die Befüllung einer Lithium-Ionen-Batterie (LIB) mit Elektrolytflüssigkeit und das anschließende Wetting stellen die Schnittstelle zwischen Zellmontage und Formierung dar. Trotz des hohen Potenzials für Durchsatzerhöhung und Kostensenkung sowie eines wissenschaftlich unklaren Einflusses auf Qualitätsmerkmale der Lithium-Ionen-Batterie wurde der Untersuchung der Elektrolytbefüllung bisher kaum wissenschaftliche Aufmerksamkeit zuteil. Es sind zwar Best-Practice-Lösungen vorhanden, doch welche Vorgänge die Befüllung und das Wetting dominieren und wie diese beschleunigt werden können, ist bislang noch nicht systematisch erfasst worden. Die Benetzbarkeit als Materialeigenschaft der Einzelkomponenten sind in der Regel entkoppelt vom Produktionssystem und den Verarbeitungsmechanismen betrachtet worden. Auch die Simulation des Befüllprozesses wurde trotz zahlreicher Ansätze zur Simulation von Strömungen in porösen Strukturen in anderen Bereichen bislang nicht thematisiert. Im Rahmen des Projektes Cell-Fi wird daher der Themenkomplexe Befüllung und Wetting erstmals wissenschaftlich untersucht.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Für die Untersuchung der Themenkomplexe Befüllung und Wetting werden die verarbeitungsrelevanten Eigenschaften der Grundkomponenten ermittelt. Betrachtet werden sowohl die Elektrolyt- als auch die Elektroden- und Separatoreigenschaften. In diesem Zusammenhang werden auch die bei der Packagebildung relevanten mechanischen Separatoreigenschaften analysiert.

Das Prozesswissen zur Befüllung und Wetting wird anschließend sowohl an Pouch-, Rund- als auch prismatischen Hardcasezellen erarbeitet, um die Einflüsse des Zelldesigns zu ermitteln. Durch die Untersuchung der verarbeitungsbedingten Veränderungen der Elektrolyteigenschaften, den Aufbau eines Referenzsystems insbesondere für Separatoren und deren Implementierung in Simulationsmodelle kann das erarbeitete Wissen auf andere Zellgeometrien und -bauweisen übertragen werden. Die Projektergebnisse münden in ein Entscheidungstool, das die Ableitung von Maßnahmen für das Prozess- und Zelldesign unter gegebenen Randbedingungen ermöglicht.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Vor dem Hintergrund der steigenden Relevanz von elektrischen Speichertechnologien für mobile und stationäre Anwendungen kommt der wirtschaftlichen Herstellung von geeigneten Batterien in hoher Stückzahl eine wesentliche Bedeutung zu. So spielt bei der Fertigung von Elektrofahrzeugen die Batteriezellherstellung sowohl aus Kosten- als auch aus Umweltsicht eine zentrale Rolle. Die Befüllung ist hierbei aufgrund der langen Lagerzeit ein hoher Kapitalbindungsfaktor.

Die in Cell-Fi untersuchten Fertigungsprozesse stellen daher entscheidende Schritte in Richtung konkurrenzfähiger Energiespeicher dar. Insgesamt soll das Vorhaben dazu beitragen, die Rolle Deutschlands auf dem Forschungsgebiet der Batteriezellproduktion zu stärken und auch im internationalen Vergleich eine führende Rolle einzunehmen.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil, stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

Schlagworte der Teilprojekte des Verbundprojekts

Teilprojekt 1

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode NMC Standard NMC

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode NMC Nickelreich 6:2:2

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Anode Graphite

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Format Pouch

Forschungsgegenstand

Zelle

Zelle Elektroden

Zelle Elektrolyt flüssig

Forschungsbereiche

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Assemblierung Elektrolytbefüllung Befüllung

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Assemblierung Elektrolytbefüllung Benetzung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Durchsatzzeit

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Vorhersagemodell

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Benetzbarkeit

Anwendungsfelder

mobil

stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Teilprojekt 2

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Format zylindrisch

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Format prismatisch

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Format Pouch

Forschungsgegenstand

Zelle

Zelle Separator Eigenschaft Gurley-Zahl

Zelle Separator Eigenschaft Tortuosität

Zelle Separator Eigenschaft Wechselwirkung mit Elektrolyt Kontaktwinkel

Zelle Elektrolyt

Forschungsbereiche

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Assemblierung Elektrolytbefüllung Befüllung

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Assemblierung Elektrolytbefüllung Benetzung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Durchsatzzeit

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Kosten

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Qualität

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Anforderungen an eingesetzte Materialien

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Vorhersagemodell

Analytik und Charakterisierung Methode physikalisch Spektroskopie optische Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma

Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch Gaschromatographie

Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch Ionenchromatographie

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Einsatzmöglichkeit

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Performance

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Stabilitätsgrenze

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Struktur-Eigenschaftsbeziehungen

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Teilprojekt 3

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode NMC Nickelreich 6:2:2

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Anode Graphite

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Format prismatisch VDA PHEV 1

Forschungsgegenstand

Zelle

Zelle Elektroden Anode

Zelle Elektroden Kathode

Forschungsbereiche

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Assemblierung Elektrolytbefüllung Befüllung

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Assemblierung Elektrolytbefüllung Benetzung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Durchsatzzeit

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Simulation numerisch

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Vorhersagemodell

Anwendungsfelder

mobil

stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Teilprojekt 4

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode NMC Nickelreich 6:2:2

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Anode silicium-haltig Komposit mit Kohlenstoff

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Format Pouch

Forschungsgegenstand

Zelle Separator

Forschungsbereiche

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Assemblierung Elektrolytbefüllung

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Assemblierung Elektrolytbefüllung Benetzung

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Assemblierung Stapeln, Wickeln, Falten

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Anforderungen an eingesetzte Materialien

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Qualitäts-Eigenschaftsbeziehungen

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Vorhersagemodell

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung mechanische Eigenschaften

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Permeabilität

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Verarbeitbarkeit

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Teilprojekt 5

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Format prismatisch

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Format Pouch

Forschungsgegenstand

Zelle

Zelle Elektroden

Zelle Elektrolyt flüssig

Forschungsbereiche

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Assemblierung Elektrolytbefüllung Befüllung

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Assemblierung Elektrolytbefüllung Benetzung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Simulation

Anwendungsfelder

mobil

stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung außeruniversitäre Einrichtung

Verbundprojektleiter

Herr Prof. Dr. Klaus Dröder
Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig
Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF)
Fertigungstechnologien und Prozessautomatisierung
Langer Kamp 19b
38106 Braunschweig

Telefon: +49 531 391-76oo
Fax: +49 531 391-5842
E-Mail: k.droeder@tu-braunschweig.de


Pressekontakt

Herr Prof. Dr. Klaus Dröder
Telefon: +49 531 391-7600
Fax: +49 531 391-5842
E-Mail: k.droeder@tu-braunschweig.de