Kurzbeschreibung des Teilprojektes

• Senkung der Taktzeiten bei der Befüllung und des Wettings von Lithium-Ionen-Batterien
• Charakterisierung der Benetzungseigenschaften von Anoden- und Kathodenmaterialien
• Untersuchung prozess- und produktionsorientierter Einflüsse (Anzahl Befüllschritte, Druckprofil, Temperatur) auf die Befüll- und Wettingzeiten von Lithium-Ionen-Batterien
• Untersuchung von mechanischen Beanspruchungen auf die Wettingzeiten von Lithium-Ionen-Batterien
• Ableitung von Regeln für befüllungsgerechtes Design

Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Ziel des Gesamtvorhabens „Cell-Fi“ ist die Verkürzung der Befüll- und Wettingzeit ohne Verlust von Zellperformance. Aus dieser übergeordneten Zielsetzung leitet sich die Zielsetzung dieses Teilvorhabens ab, nämlich die Verkürzung der Befüll- und Wettingzeit mit prozessorientierten und produktionstechnischen Ansätzen.

Die Herausforderung liegt in der experimentellen Ermittlung der prozessorientierten und produktionstechnischen Einflussfaktoren, welche die Befüllung und das Wetting nichtlinear und verkoppelt beeinflussen. Hierzu wird in diesem Teilvorhaben das Prozessverständnis methodisch und experimentell erweitert, um daraus prozessorientierte und produktionsorientierte Maßnahmen zur angestrebten Zeitverkürzung abzuleiten. Diese Zielsetzung wird in enger Abstimmung und Harmonisierung mit dem Gesamtvorhaben und mit anderen Projekten des ProZell Clusters verfolgt. Grundlage hierfür ist die bereits abgestimmte Verwendung von Pouchzellen als Experimentalbasis, um beispielsweise die wechselseitigen Abhängigkeiten zum Zelldesign zu ermitteln.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Der erste Abschnitt des Gesamtprojektes beinhaltet die Ermittlung verarbeitungsrelevanter Eigenschaften der Grundkomponenten. Im Rahmen dieses Teilvorhabens wird hierfür das Benetzungsverhalten des Elektrolyten auf den Elektroden untersucht. Dafür wird die Signifikanz von Prozessparametern (z. B. Druck, Temperatur) für das Benetzungsverhalten aufgeklärt und quantifiziert. Die Untersuchung der Benetzungsfläche bei unterschiedlichen Druckprofilen und Temperaturen erfolgt in einer zur Verfügung stehenden Vakuumkammer mittels optischer Messverfahren. Der Arbeitsplan beinhaltet die Untersuchung der Benetzung der Elektroden mit Elektrolyt bei unterschiedlichen Konzentrationen. Zusätzlich wird der Kapillarsog der Elektroden mittels Capillary-rise-Test zur Untersuchung des Benetzungsverhaltens angewendet. Die Ergebnisse hieraus werden anschließend mit den Eigenschaften des Gesamtsystems korreliert, um übergeordnet Zusammenhänge herzustellen.

In dem zweiten für dieses Teilvorhaben relevanten Abschnitt steht die Untersuchung prozess- und produktionsorientierter Einflüsse im Vordergrund. Bei der Betrachtung des eigentlichen Befüllprozesses wird der Einfluss von Prozessparametern, z. B. in der Anzahl der Druckprofile, Anzahl der Befüllschritte, Elektrolytmenge, auf die Wettingzeit experimentell untersucht und quantifiziert. Dies wird verwendet, um aus produktionstechnischer Sicht ein Werkzeug zur mechanischen Stimulation der befüllten und verschlossenen Zelle zu entwickeln. Dieses Werkzeug und der Prozess werden experimentell charakterisiert und geeignete Prozessparameter werden ermittelt.

Die methodischen und experimentellen Ergebnisse werden gemeinsam mit Ergebnissen anderer Teilvorhaben und Clusterprojekte in einem Regelwerk für ein befüllungsgerechtes Design zusammengeführt. Dies ist als Beitrag für die industrielle Verwertbarkeit zu verstehen, der als Entscheidungsbasis dient.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Vor dem Hintergrund der steigenden Relevanz von elektrischen Speichertechnologien für mobile (z. B. Elektro- und Hybridfahrzeuge) und stationäre (z. B. Integration von erneuerbaren Energien im Rahmen von Smart Grids) 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.

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

Galerie

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 €

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

schwarze Schlagworte: charakterisieren das Teilprojekt
graue und schwarze Schlagworte: charakterisieren das komplette Verbundprojekt

Teilprojektleiter

Herr Prof. Dr. Klaus Dröder
Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig
Battery LabFactory Braunschweig
Langer Kamp  8
38106 Braunschweig
zum Internetauftritt

Telefon: +49 531 391-7600
Fax: +49 531 391-5842
E-Mail: k.droeder@tu-braunschweig.de

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

Pressekontakt für Teilprojekt

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

Pressekontakt für Verbundprojekt

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