STACK

Schnelles Stapeln für die Massenfertigung von kostengünstigen und sicheren Lithium-Ionen-Zellen und Weiterentwicklung von Elektroden- und Separatormaterialien - Material-, Prozess- und Anlagenentwicklung und Qualifizierung im Produkt

Teilprojekt 1

F&E zum schnellen Stapeln für die Massenfertigung von Lithium-Ionen-Zellen

Laufzeit: 01.01.2018 bis 31.12.2020

Fördersumme: 631.046,00 €

Projektvolumen: 1.790.201,42 €
 

ausführende Stelle:

Manz AG
Steigäckerstr.  5
72768 Reutlingen

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Manz AG

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 511

Förderkennzeichen: 03XP0132A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Teilprojektes

  • Zellspezifikationen auf Basis PHEV 1 (mit Verbundpartnern und assoziierten Partnern)
  • Konzept und Versuchsstände für die notwendigen Vorprozesse der Halbzeuge
  • Konzept, Design, Konstruktion, Bau und Funktionsnachweis eines Demonstrators
  • Aufstellen und gemeinsame Inbetriebnahme an der FPL, technische Qualifizierung des Stapler-Demonstrators
  • Kostenbetrachtung der Produktion im GWh-Maßstab (mit Verbundpartnern und assoziierten Partnern)


Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Grundsätzlich können Stapelzellen wegen ihres homogenen Aufbaus Vorteile gegenüber gewickelten Zellen haben. Daneben weisen gestapelte Zellen durch die bessere Raumausnutzung eine um 2 bis 5 Prozent höhere Zellkapazität auf. Ein großer Nachteil des Einzelblatt-Stapelverfahrens ist jedoch der geringere Durchsatz bei den derzeit verfügbaren Anlagen.

Das Ziel dieses Vorhabens ist es, den Nachteil des geringeren Durchsatzes eines Staplers im Rahmen der geplanten Arbeiten mindestens zu kompensieren. Gleichzeitig sollen vergleichbare bis verbesserte Prozessausbeuten durch die Entwicklung bzw. Anpassung bestehender Prozesse und Handhabungstechnik im Vergleich zum Stapeln erzielt werden.

Eine abschließende Evaluierung der Herstellkosten in einer Massenproduktion soll die Ergebnisse für die schnelle wirtschaftliche Übertragung und kommerzielle Verwertung im Vergleich zu herkömmlichen Materialien und Prozessen vorbereiten. Der Nachweis verbesserter Leistungsdichten, Zyklenfestigkeit, Langlebigkeit und Sicherheit gegenüber bisherigen Lithium-Ionen-Zellen ist ebenso ein Zielkriterium.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Die Manz AG wird nach Evaluierungs- und Designphase eine demonstratorische Stapelanlage entwickeln, diese bauen und im Betrieb qualifizieren. Es ist geplant, diesen Demonstrator an der Forschungsproduktionslinie (FPL) am ZSW zu betreiben. Hierzu werden die folgende Arbeitsinhalte adressiert:
• Zellspezifikationen auf Basis PHEV1 (mit Verbundpartnern und assoziierten Partnern) definieren
• Konzept und Versuchsstände für die notwendigen Vorprozesse der Halbzeuge erarbeiten und ggf. aufbauen
• Konzept und Design erstellen sowie Konstruktion und Bau eines Demonstrators durchführen und anschließend die Funktion nachweisen
• Aufstellen und gemeinsame Inbetriebnahme an der FPL, technische Qualifizierung des Stapler-Demonstrators
• Kostenbetrachtung der Produktion im GWh-Maßstab (mit Verbundpartnern und assoziierten Partnern).


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die Nachfrage des Weltmarktes nach schnellen Einzelblattstapelmaschinen ist in den vergangenen Jahren erheblich angestiegen, da die von der Automobilindustrie geforderten, strengen Qualitätsmerkmale mit aktuellen Wickelkonzepten nicht (ohne Weiteres) erreicht werden können. Für die Beibehaltung der Wettbewerbsfähigkeit der Manz AG im Batteriesektor erscheint es dringend geboten, sehr schnelle Stapelprozesse zu erforschen und zu entwickeln, um solche Anlagentechnik auf dem Markt anbieten zu können. Die Manz AG hat umfangreiche Erfahrungen sowohl mit Wickel- als auch mit Einzelblattstapelprozessen. Letztere genügen jedoch bisher eher den Anforderungen von Laborprozessen als denen für die Massenfertigung.

Die Manz AG wird nach Erreichen der Ziele diesen Anlagentyp einer weiteren Optimierung unterziehen und gegenüber dem Vorhabenergebnis mit Automatisierung und inline Qualitätskontrolle ergänzen und kommerziell vermarkten. Kurzfristig sollen erste Ergebnisse in Form von Anlagentechnik für Sonderanwendungen verwertet werden können.


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.01.2018 bis 31.12.2020
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 2.686.226,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: 4.486.874,00 €

Teilprojekt 1: F&E zum schnellen Stapeln für die Massenfertigung von Lithium-Ionen-Zellen

Förderkennzeichen: 03XP0132A

Manz AG
72768 Reutlingen

Teilprojekt 2: Separatoren

Förderkennzeichen: 03XP0132B

Freudenberg Performance Materials SE & Co. KG, Lithium Ion Battery Separators
69469 Weinheim

Teilprojekt 3: Prozessbegleitende Analytik und Tests und vollautomatischer Zellenbau (Assemblierung)

Förderkennzeichen: 03XP0132C

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg - Labor für Batterietechnologie (eLaB), Geschäftsbereich Elektrochemische Energietechnologien - Produktionsforschung
89081 Ulm

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

Wie neue Ergebnisse aus Stress- und Langzeittests zeigen, weisen gealterte Zellen deutliche Qualitätsunterschiede auf, je nachdem ob sie mittels Wickeln oder mittels Stapeln der Elektroden und Separatoren hergestellt wurden. Lithium-Plating, Schichtablösung etc. haben eine verminderte Zyklenzahl in gewickelten Zellen zur Folge. Auch konnte ein massiver Einbruch der Kapazitätskennlinien dieser Zellen nach Erreichen des ersten EOL-Kriteriums von 80 Prozent beobachtet werden.

Gestapelte Zellen weisen durch die bessere Raumausnutzung eine um den Faktor 2 bis 5 Prozent höhere Zellkapazität auf, wobei bei gleichen Elektrodenmaterialien auch die Langzeitstabilität der gestapelten Zellen deutlich höher ausfällt. Ein großer Nachteil des Einzelblatt-Stapelverfahrens ist jedoch der geringere Durchsatz bei den derzeit verfügbaren Anlagen für die Massenfertigung. Der Durchsatz beim Stapeln ist um den Faktor 2 bis 6 niedriger als beim Wickeln, und die Anlagen haben eine höhere Komplexität bei vergleichbarer Genauigkeit. Hierfür sollen neue Anlagen- und Prozesstechnik erforscht und prototypisch umgesetzt und qualifiziert werden.

Gleichzeitig sollen vergleichbare bis verbesserte Prozessausbeuten mittels neuartiger verbesserter Elektroden und Separatoren durch die Entwicklung bzw. Anpassung bestehender Prozesse und Handhabungstechnik im Vergleich zum Stapeln der Folien zur Zellherstellung für den Einsatz im Automobil gezeigt werden. Zusätzlich sollen neue und verbesserte Elektroden- und insbesondere Separatormaterialien erforscht und entwickelt werden, um die Qualität von Lithium-Ionen-Zellen weiter zu erhöhen und Herstellkosten weiter zu senken. Die Anlagen- und Prozessentwicklung wird an zukünftig relevanten Materialien für die Massenproduktion ausgerichtet. Damit wird die Lücke zwischen Qualität und Relevanz der F&E-Arbeiten für die industrielle Anwendung geschlossen.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Stapelzellen weisen durch ihren homogenen Aufbau die Nachteile in geringerem Maß auf. Daneben weisen gestapelte Zellen durch die bessere Raumausnutzung eine um 2 bis 5 Prozent höhere Zellkapazität auf. Ein großer Nachteil des Einzelblatt-Stapelverfahrens ist jedoch der geringere Durchsatz bei den derzeit verfügbaren Anlagen für die Massenfertigung.

Ziel dieses Vorhabens ist es, diesen konkreten Nachteil im Rahmen der geplanten Arbeiten mindestens zu kompensieren. Gleichzeitig sollen vergleichbare bis verbesserte Prozessausbeuten durch die Entwicklung bzw. Anpassung bestehender Prozesse und Handhabungstechnik im Vergleich zum Stapeln der Folien zur Zellherstellung für den Einsatz im Automobil erzielt werden. Eine abschließende Evaluierung der Herstellkosten in einer Massenproduktion soll die Ergebnisse für die schnelle wirtschaftliche Übertragung und kommerzielle Verwertung im Vergleich zu herkömmlichen Materialien und Prozessen untermauern. Der Nachweis verbesserter Leistungsdichten, Zyklenfestigkeit, Langlebigkeit und Sicherheit gegenüber bisherigen Lithium-Ionen-Zellen ist ebenso ein Zielkriterium.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Der Verbund ist mit der Manz AG, einem der führenden Anlagenhersteller für die Produktion von Batteriesystemen auf Lithium-Ionen-Basis und der Freudenberg Performance Materials SE & Co. KG, einem erfolgreichen und innovativen Materiallieferanten, der mit seiner umfangreichen Erfahrung sowohl technologisch als auch materialspezifisch gut aufgestellt ist. Das ZSW ist mit seinem immensen Know-how auf diesen Gebieten und seiner Forschungsproduktionslinie (FPL) ein idealer Partner für die notwendige prozessbegleitende Analytik und Tests sowie den Zellenbau. Das Interesse der Begleitung des Vorhabens durch einen deutschen Automobilbauer (BMW AG) und einen Zellhersteller (VARTA) runden die Ganzheitlichkeit der F&E-Arbeiten in diesem Vorhaben hervorragend ab.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil, stationär

Förderempfänger

Industrie, 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 Format prismatisch VDA PHEV 1

Forschungsgegenstand

Zelle

Forschungsbereiche

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Assemblierung Stapeln, Wickeln, Falten Stapeln Einzelblattstapelung

Produktion Materialherstellung Maßstab Industrie

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Konzeptentwicklung für notwendige Vorprozesse der Halbzeuge

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Konzeptentwicklung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Kostenmodell

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Rohstoff- und Materialauswahl bzw. -identifizierung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Testproduktion

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Durchsatzzeit

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Qualität

Anwendungsfelder

mobil Antriebsart BEV

stationär

Förderempfänger

Industrie Anlagen-, Maschinenbau und Automatisierung

Teilprojektleiter

Herr Dr. Maximilian Wegener
Manz AG
Steigäckerstr.  5
72768 Reutlingen

Telefon: +49 7121 9000-6283
Fax: +49 7121 9000-99
E-Mail: mwegener@manz.com


Verbundprojektleiter

Herr Dr. Maximilian Wegener
Manz AG
Steigäckerstr. 5
72768 Reutlingen
Telefon: +49 7121 9000-6283
Fax: +49 7121 9000-99


Pressekontakt für Teilprojekt

Herr Axel Bartmann
Manz AG
Steigäckerstr. 5
72768 Reutlingen
Telefon: +49 7121 9000-0
E-Mail: info@manz.de
zum Internetauftritt


Pressekontakt für Verbundprojekt

Herr Axel Bartmann
Manz AG
Steigäckerstr. 5
72768 Reutlingen
Telefon: +49 7121 9000-0
E-Mail: info@manz.de
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