OptiZellForm

Beschleunigung und energetische Optimierung der Zellformierung in der Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien mittels Untersuchungen zu Prozess-Eigenschaft-Beziehungen

Teilprojekt 1

Einflüsse der Parametervariation bei Formierung und Reifung sowie Validierung anhand einer umgerüsteten Formieranlage

Laufzeit: 01.08.2016 bis 31.01.2020

Fördersumme: 499.042,00 €

Projektvolumen: 499.042,00 €
 

ausführende Stelle:

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Fakultät für Maschinenwesen - Lehrstuhl für Production Engineering of E-Mobility Components
Campus-Boulevard  30
52074 Aachen

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 511

Förderkennzeichen: 03XP0071A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Teilprojektes

  • Entwicklung von einer zeit- und energieoptimierten Formierungsstrategie
  • Untersuchung der Auswirkungen äußerer Umgebungsbedingungen auf das Formierverhalten von Lithium-Ionen-Batterien
  • Identifizierung von Energieverlustursachen bei der Formierung


Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Das Teilvorhaben des Gesamtvorhabens OptiZellForm hat als übergeordnetes Ziel, Einflussgrößen in der Formierung und Reifung zu untersuchen. Dabei liegt der Fokus vor allem auf den Auswirkungen von äußeren Umgebungsbedingungen wie räumlicher Orientierung oder mechanischer Beanspruchung auf die Qualität der Zellen und dem Einsparpotenzial in den Prozesskosten. Darüber hinaus werden Energieverlustursachen beim wiederholten Laden und Entladen identifiziert.

Die systematischen Untersuchungen haben zum Ziel, ein tiefgreifendes Prozessverständnis zu gewinnen und Ursache-Wirkzusammenhänge zu verstehen. Dadurch lassen sich technische, produktionsbezogene und wirtschaftliche Eigenschaften besser vorhersagen. Eine Optimierung der Formierung im Hinblick auf die Prozessführung werden Energiedichten noch besser ausgenutzt. Gleichzeitig wird durch eine optimierte Formierungsstrategie auch eine Erhöhung von Durchsatzzeiten angestrebt, wodurch Investitionskosten reduziert werden. Außerdem können durch die genauen Kenntnisse der Wirkzusammenhänge Qualitätsschwankungen minimiert werden.

Insgesamt wird im Vorhaben die Entwicklung einer innovativen Prozessführung beim Formierungsprozess angestrebt, so dass zum einen die Prozess-Eigenschaft-Funktion und zum anderen die Prozess-Kosten-Funktion erheblich verbessert werden.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Zur Gewinnung eines tiefgreifenden Verständnisses über die Wirkzusammenhänge zwischen mechanischer Belastung, Temperatur und Spannung auf die Formierungs- und Reifungsprozesse wird im Rahmen des Projekts eine spezielle Vorrichtung entwickelt und konstruiert. Diese elektronisch steuerbare und an die Zellgeometrie des Projektpartners MEET angepasste Pressvorrichtung verfügt über Kraftsensoren und einen Stellantrieb, um gezielte Drücke auf die Zelle aufbringen bzw. messen zu können. Messwegsensoren erfassen die volumetrische Ausdehnung der Zelle während der Formierung und können dazu genutzt werden, um über eine spezielle Steuerungslösung mechanische Belastungen auch dynamisch mit dem Ladeprofil zu synchronisieren. Die Pressvorrichtung wird in einer Klimakammer positioniert, um verschiedene Temperaturen und Temperaturprofile untersuchen zu können. Die Vorrichtung verfügt über eine große Anzahl von thermischen Sensoren, um die Temperatur der Zelle über die gesamte Fläche messen und aufzeichnen zu können. Die lokale Selbsterwärmung der Zelle wird Aufschlüsse über Energieverlustursachen während der Formierung geben. Zusätzlich werden Maßnahmen hinsichtlich der Verlustleistungen an Kontaktstellen zur Zelle untersucht.

Im Projektfortschritt werden die einzelnen Parameter systematisch variiert und optimale Einstellungen identifiziert. Im späteren Projektverlauf werden als optimal bewertete Temperaturen mit optimalen Pressdrücken kombiniert, um das Einflusspotenzial äußerer Umgebungsbedingungen auszuschöpfen.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die erzielten Ergebnisse dieses Teilvorhabens werden mit den Erkenntnissen hinsichtlich der optimalen Ladeprozedur und dem Zusatz von Additiven kombiniert. Es wird erwartet, dass durch die Wahl einer verkürzten Formierungsprozedur, dem Zusatz von SEI-bildenden Additiven, dem Einsatz von verbesserten Kontaktstiften und der Anwendung von optimierten Umgebungsbedingungen Qualitätssteigerungen bei kürzeren Prozesszeiten möglich sind. Die Validierung erfolgt an einer dafür speziell eingerichteten Formierungsanlage.


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.08.2016 bis 31.01.2020
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 1.404.883,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: 1.404.883,00 €

Teilprojekt 1: Einflüsse der Parametervariation bei Formierung und Reifung sowie Validierung anhand einer umgerüsteten Formieranlage

Förderkennzeichen: 03XP0071A

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

Teilprojekt 2: Einflüsse der Parametervariation bei Formierung und Reifung sowie Validierung anhand einer umgerüsteten Formieranlage

Förderkennzeichen: 03XP0071B

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
48149 Münster

Teilprojekt 3: Beschleunigung und energetische Optimierung der Zellformierung in der Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien mittels Untersuchungen zu Prozess-Eigenschaft-Beziehungen

Förderkennzeichen: 03XP0071C

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

Fördergeber: BMBF, Referat 511

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Die Formierung sowie die anschließende Reifung gehören zu den wichtigsten Prozessschritten in der Produktion von Lithium-Ionen-Zellen. Während der Formierung kommt es zur Ausbildung einer Grenzschicht zwischen dem Elektrolyten und dem Aktivmaterial (Solid Electrolyte Interphase, kurz: SEI), deren Beschaffenheit einen wesentlichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und das Alterungsverhalten der Zellen nimmt. Im Anschluss an die Formierung werden die Zellen über mehrere Tage gereift, um die Zelleigenschaften durch die Umsetzung restlicher Nebenprodukte sowie die weitere Verteilung des Elektrolyten unter kontrollierten Bedingungen ablaufen zu lassen.

Sowohl die Formierung als auch die Reifung stellen derzeit zeitaufwändige und energieintensive Prozessschritte dar, die aufgrund der Notwendigkeit zur Bereithaltung einer Vielzahl an Lagerplätzen in hohem Maße zu den Produktionskosten beitragen. Je nach Wahl der Prozessparameter haben die Zellen Durchlaufzeiten von bis zu 30 Tagen in der Formierung und Reifung. Trotz der hohen Bedeutung innerhalb der Zellproduktion und dem Anteil am Produktionsprozess ist das bisherige Wissen über die chemischen Vorgänge während der Formierung und Reifung sowie dem Einfluss von Prozessparametern auf die Produktqualität nur unzureichend untersucht.

Die Herausforderung ist es daher, durch systematische Untersuchungen eine optimale Parameterkombination zu finden, die es erlaubt, den Formierungsprozess ohne Qualitätseinbußen deutlich zu beschleunigen. Die entsprechenden Untersuchungen werden in einem Konsortium bestehend aus dem Batterieforschungszentrum MEET, dem Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energieanlagen elenia der TU Braunschweig und dem Lehrstuhl PEM der RWTH Aachen durchgeführt. Die variablen Parameter können in drei Kategorien eingeteilt werden: elektrische, chemische und äußere. Die Auswirkungen einer angepassten Ladeprozedur auf Dauer und Qualität der Lithium-Ionen-Zellen werden federführend durch das elenia-Institut betrachtet. Die Auswirkungen von chemischen Einflussfaktoren wie dem Zusatz von Additiven stehen im Fokus der Untersuchungen am Batterieforschungszentrum MEET. Der Lehrstuhl PEM untersucht den Einfluss von äußeren Umgebungsbedingungen auf den Formierungs- und Reifungsprozess.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Die Formierungsprozedur wird hinsichtlich relevanter Einflussgrößen auf das Formierergebnis analysiert. Die Auswirkungen unterschiedlich hoher spezifischer Ladeströme, Spannungen und Halteintervale werden durch systematische Parametervariation erfasst und der Einfluss auf Zellqualität und Prozessdauer bewertet. Aus den Ergebnissen dieser Untersuchungen werden Maßnahmen für eine effizientere Formierungsprozedur abgeleitet.

Zur Gewinnung eines tiefgreifenden Verständnisses über die Wirkzusammenhänge zwischen mechanischer Belastung, Temperatur und Spannung auf die Formierungs- und Reifungsprozesse wird im Rahmen des Projekts eine spezielle Vorrichtung entwickelt und konstruiert. Diese elektronisch steuerbare und an die Zellgeometrie des Projektpartners MEET angepasste Pressvorrichtung verfügt über Kraftsensoren und einen Stellantrieb, um gezielte Drücke auf die Zelle aufbringen bzw. messen zu können. Messwegsensoren erfassen die volumetrische Ausdehnung der Zelle während der Formierung und können dazu genutzt werden, um über eine spezielle Steuerungslösung mechanische Belastungen auch dynamisch mit dem Ladeprofil zu synchronisieren. Die Pressvorrichtung wird in einer Klimakammer positioniert, um verschiedene Temperaturen und Temperaturprofile untersuchen zu können. Die Vorrichtung verfügt über eine große Anzahl von thermischen Sensoren, um die Temperatur der Zelle über die gesamte Fläche messen und aufzeichnen zu können. Die lokale Selbsterwärmung der Zelle wird Aufschlüsse über Energieverlustursachen während der Formierung geben. Zusätzlich werden Maßnahmen hinsichtlich der von Verlustleistungen an Kontaktstellen zur Zelle untersucht.

Der Reifeprozess hat entscheidenden Einfluss auf das Formierergebnis. Im Fokus stehen die chemischen Prozesse, die während der Reifung in den Zellen ablaufen, um entsprechende Rückschlüsse auf die Mechanismen ziehen zu können. Hierzu werden sowohl oberflächen-analytische Verfahren als auch chromatographische Verfahren eingesetzt, um die Zersetzungsprodukte auf den Oberflächen der Zellkomponenten sowie im flüssigen Elektrolyt im Rahmen einer Post-mortem-Analyse zu untersuchen. In einem weiteren Schritt wird der Einfluss von Additiven zur Beschleunigung des Reifeprozesses auf das Formierergebnis untersucht.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Gestützt auf das verbesserte Prozessverständnis werden optimierte Formierungs- und Reifungsstrategien mit dem Ziel einer effizienten Prozessführung entwickelt. Die Potenziale einer optimierten Formierung werden ermittelt, die sich in einer verbesserten, d. h. vor allem zeitlich beschleunigten, Formierungs- und Reifungsdauer widerspiegeln.

Die in den einzelnen Teilvorhaben erzielten Ergebnisse werden zum Projektende zusammengeführt und an einer Formierungsanlage validiert.

Der wissenschaftliche Beitrag dieses Projekts wird den Zellherstellern und Herstellern von Fertigungsanlagen eine Grundlage dafür geben, die Produktionsprozesse effizienter und kostengünstiger zu gestalten.


Galerie

Druckvorrichtung
Pressform für eine Pouchzelle

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


Schlagworte zum Teilprojekt

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

Forschungsgegenstand

Zelle

Zelle Elektroden

Zelle Elektrolyt Additive SEI-Bilder

Forschungsbereiche

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Formation und Aging Aging

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Formation und Aging Formation Additive

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Formation und Aging Formation Ladeprozedur

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Formation und Aging Formation Kontaktstifte

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Formation und Aging Formation Umgebungsbedingungen Pressdrücke

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Formation und Aging Formation Umgebungsbedingungen Temperatur

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Durchsatzzeit

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Kosten

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Qualität

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Ursache-Wirk-Mechanismen

Anwendungsfelder

mobil

stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Teilprojektleiter

Herr Christian Offermanns
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Fakultät für Maschinenwesen - Lehrstuhl für Production Engineering of E-Mobility Components
Campus-Boulevard  30
52074 Aachen
zum Internetauftritt

Telefon: +49 170 2327976
E-Mail: c.offermanns@pem.rwth-aachen.de


Verbundprojektleiter

Herr Prof. Dr. Günther Schuh
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen
Fakultät für Maschinenwesen – Lehrstuhl für Production Engineering of E-Mobility Components
Campus-Boulevard 30
52074 Aachen
Telefon: +49 241 80-20402


Pressekontakt für Verbundprojekt

Templergraben 55
52062 Aachen
Telefon: +49 241 80-94322
E-Mail: pressestelle@rwth-aachen.de
zum Internetauftritt