Kurzbeschreibung des Teilprojektes

• Entwicklung und Herstellung von Referenzelektroden und Referenzzellen im PHEV-1-Format
• Erarbeitung von Prozessverbesserungen (Produktqualität, Prozesszeit, Ressourcenverbrauch) für das Kalandrieren, Nachtrocknen, Befüllen und Formieren von NMC-Elektroden und PHEV1-Zellen
• Übertragung von Ergebnissen aus weiteren ProZell-Projekten auf die Forschungsproduktionslinie (FPL) und Herstellung von verbesserten PHEV1-Zellen
• Entwicklung und Integration eines Qualitätssicherungskonzepts an der FPL

Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Eine der größten Herausforderungen in der Batteriezellproduktion ist die Steigerung der Qualität bei gleichzeitiger Kostensenkung. Die Produktion von Batteriezellen stellt eine Abfolge komplexer Einzelprozesse dar, die sich in sehr unterschiedlicher Art und Weise auf die Gesamtqualität auswirken können. Insbesondere großformatige Lithium-Ionen-Zellen sind bei kleinsten Fehlern in der Herstellung sehr störanfällig. Über die genauen Auswirkungen der Einzelprozesse auf die Gesamtqualität wird häufig nur gemutmaßt, da oftmals Unwissenheit über die relevanten Prozessparameter und ihre Toleranzen herrscht oder bereits bekannte Einflussparameter nicht zuverlässig detektiert werden können.

Im Begleitvorhaben QS-Zell wird eine deutliche Verbesserung der Lithium-Ionen-Zellen im Hinblick auf Performance, Qualität und Produktionskosten angestrebt. Damit soll ein wichtiger Beitrag für den Aufbau einer wirtschaftlichen und nachhaltigen Batteriezellproduktion geleistet werden. Dies soll erreicht werden durch die Entwicklung von zeiteffizienteren, ressourcenschonenden Herstellverfahren und durch die Erarbeitung eines wirksamen, übergreifenden Qualitätssicherungskonzepts entlang der gesamten Wertschöpfungskette mit dem Ziel, Qualitätsschwankungen, Ausschussraten und Kosten in der Zellproduktion zu reduzieren.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

In QS-Zell werden qualitätsrelevante Kernprozesse und QS-Methoden zum Kalandrieren, Nachtrocknen, Befüllen und Formieren am Beispiel von NMC-622-Kathoden und Graphit-Anoden erforscht und weiterentwickelt. Mit den verbesserten Prozessen werden optimierte PHEV1-Zellen an der Forschungsproduktionslinie (FPL) in Ulm hergestellt und der Entwicklungsfortschritt anhand von Leistungsdaten und Tests bewertet. Durch statistische Analysen werden relevante Einstellgrößen identifiziert, Prozessmodelle entwickelt und ein Qualitätssicherungskonzept aufgebaut. Ein wichtiger Aspekt dieses Projekts ist die Nutzung der FPL als Referenz- und Integrationsplattform, um die Projektergebnisse im Kompetenzcluster ProZell zusammenzuführen und am PHEV-1-Zellformat im industrienahen Maßstab als Gesamtpaket darzustellen. Alle Daten werden in der geplanten, zentralen Datenbank des Clusters zusammengeführt, um über Forschungsinstitute hinweg und zelltechnologieübergreifend für Auswertungen und weitere Forschungsarbeiten zu Prozess- und Qualitätsoptimierungen zur Verfügung zu stehen.

Gemeinsam mit der TU Dortmund werden Qualitätssicherungskonzepts entlang der gesamten Wertschöpfungskette in der Zellproduktion entwickelt, um die Qualitätsschwankungen und Ausschussraten zu reduzieren.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Mit diesem Projekt wird ein wichtiger Beitrag zur Senkung der Herstellkosten und zur Steigerung der Produktqualität einer großskaligen Batterieproduktion geleistet. Alle erarbeiteten Daten werden in der geplanten, zentralen Datenbank des Clusters zusammengeführt, um über Forschungsinstitute hinweg und zelltechnologieübergreifend für Auswertungen und weitere Forschungsarbeiten zu Prozess- und Qualitätsoptimierungen zur Verfügung zu stehen.

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.08.2016 bis 31.07.2019
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 4.063.252,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: 4.063.252,00 €

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Die Produktion von Batteriezellen ist eine Abfolge von komplexen Einzelprozessen, an denen verschiedene Branchen beteiligt sind, so etwa die chemische Industrie sowie der Anlagen- und Maschinenbau. Über die genauen Auswirkungen der Einzelprozesse auf die Gesamtqualität wird häufig nur gemutmaßt, da oftmals Unwissenheit über die relevanten Prozessparameter und ihre Toleranzen herrscht oder bereits bekannte Einflussparameter nicht zuverlässig detektiert werden können. Ebenso sind die hohen Qualitäts- und Prozessführungsanforderungen der Automobilindustrie mit z. B. etablierten Qualitätsregelkreisen noch nicht erreicht. Die aktuell verfügbaren Methoden und Standards zur Reduzierung von Qualitätsschwankungen und damit des Ausschusses sind in der Regel auf einzelne Prozessschritte im Produktionsablauf beschränkt und erlauben keine Ableitung von übergreifenden Prozess-Qualität-Eigenschaftsbeziehungen in der Zellproduktion.

Im Verbundprojekt QS-Zell wird eine deutliche Verbesserung der Lithium-Ionen-Zellen im Hinblick auf Performance, Qualität und Produktionskosten angestrebt. Dies soll erreicht werden durch die Entwicklung von zeiteffizienteren, ressourcenschonenden Herstellverfahren und durch die Entwicklung, Programmierung und Implementierung eines wirksamen, übergreifenden Qualitätssicherungskonzepts entlang der gesamten Wertschöpfungskette mit dem Ziel, Qualitätsschwankungen, Ausschussraten und Kosten in der Produktion von Lithium-Ionen-Zellen zu reduzieren. Damit soll ein wichtiger Beitrag für den Aufbau einer wirtschaftlichen und nachhaltigen Batteriezellproduktion geleistet werden.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Im Zentrum des Projektes werden qualitätsrelevante Kernprozesse und QS-Methoden zum Kalandrieren, Nachtrocknen, Befüllen und Formieren am Beispiel von NMC-622-Kathoden und Graphit-Anoden erforscht und weiterentwickelt. Mit den verbesserten Prozessen werden optimierte PHEV1-Zellen an der Forschungsproduktionslinie (FPL) in Ulm hergestellt und der Entwicklungsfortschritt anhand von Leistungsdaten und Tests bewertet. Durch statistische Analysen werden relevante Einstellgrößen identifiziert, Prozessmodelle entwickelt und ein Qualitätssicherungskonzept aufgebaut. Ein wichtiger Aspekt dieses Projekts ist die Nutzung der FPL als Referenz- und Integrationsplattform, um die Projektergebnisse im Kompetenzcluster ProZell zusammenzuführen und am PHEV-1-Zellformat im industrienahen Maßstab als Gesamtpaket darzustellen.

Im Rahmen einer engen Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl Computergestützte Statistik der TU Dortmund und den Projektvorhaben im ProZell-Cluster zielt der Projektablauf dementsprechend auf
• die Nutzung der Forschungsproduktionslinie (FPL) am ZSW als übergreifende Ausgangs- und Integrationsplattform zur gesamtheitlichen Validierung der Ergebnisse in ProZell,
• die Erarbeitung von Produktions- und Qualitätssicherungskonzepten für das Kalandrieren und das Nachtrocknen von großformatigen Hochenergieelektroden an der FPL,
• die Übertragung und Erprobung von Prozessverbesserungen und QS-Methoden anderer Cluster-Projekte zum Befüllen, Formieren, Nachtrocknen und Kalandrieren mit dem Ziel, die Anwendungsrelevanz und das Optimierungspotenzial am PHEV-1-Zelldesign in mehreren Produktionskampagnen darstellen zu können,
• die Entwicklung und Integration eines übergreifenden, innovativen Qualitätssicherungskonzepts entlang der gesamten Wertschöpfungskette in der Zellproduktion mit dem Ziel, die Qualitätsschwankungen und Ausschussraten zu reduzieren und einen Beitrag zur Senkung der Herstellkosten und zur Steigerung der Produktqualität einer großskaligen Batterieproduktion zu leisten und
• die Generierung eines integrierten physikalisch-chemischen und statistischen Modells für ein tieferes Prozessverständnis zur Entwicklung funktionaler, übergreifender Prozess-Qualität-Eigenschaft-Funktionen am Beispiel des FPL-Produktionsprozesses.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Alle erarbeiteten Daten werden in der geplanten, zentralen Datenbank des ProZell-Clusters zusammengeführt, um über Forschungsinstitute hinweg und zelltechnologieübergreifend für Auswertungen und weitere Forschungsarbeiten zu Prozess- und Qualitätsoptimierungen zur Verfügung zu stehen. Damit soll die wissenschaftliche Basis für den Aufbau und die nachhaltige Weiterentwicklung einer international führenden, wettbewerbsfähigen Batteriezellproduktion in Deutschland gelegt werden.

Galerie

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 Dr. Wolfgang Braunwarth
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg - Labor für Batterietechnologie (eLaB)
Geschäftsbereich Elektrochemische Energietechnologien - Produktionsforschung
Lise-Meitner-Str.  24
89081 Ulm
zum Internetauftritt

Telefon: +49 731 9530-562
Fax: +49 731 9530-599
E-Mail: wolfgang.braunwarth@zsw-bw.de

Verbundprojektleiter

Herr Dr. Wolfgang Braunwarth
Zentrum für Sonnenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW)
Fachgebiet Produktionsforschung
Labor für Batterietechnologie (eLaB)
Lise-Meitner-Str. 24
89081 Ulm
Telefon: +49 731 9530-562
Fax: +49 731 9530-599

Pressekontakt für Teilprojekt

Frau Tiziana Bosa
Helmholtzstr. 8
89081 Ulm
Telefon: +49 731 95 30-601
Fax: +49 731 95 30-666
E-Mail: tiziana.bosa@zsw-bw.de
zum Internetauftritt

Pressekontakt für Verbundprojekt

Frau Tiziana Bosa
Helmholtzstr. 8
89081 Ulm
Telefon: +49 731 95 30-601
Fax: +49 731 95 30-666
E-Mail: tiziana.bosa@zsw-bw.de
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