InnoCase

Innovative Gehäusekonzepte für großformatige Lithium-Ionen-Batterien

Teilprojekt 1

Laufzeit: 01.02.2019 bis 31.01.2022

Fördersumme: 365.488,00 €

Projektvolumen: keine Angabe
 

ausführende Stelle:

Manz AG
Steigäckerstr.  5
72768 Reutlingen

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Manz AG

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 523

Förderkennzeichen: 03XP0207A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Teilprojektes

  • Festlegen der Anforderungen an großformatige Zellen
  • Spezifizieren der großformatigen Zellen
  • Identifizieren von produktionskritischen Prozessen und Kostentreiber
  • Erforschen und entwickeln von Prozessen zur technischen Umsetzung der Produktion von großformatigen Zellen
  • Erforschen und entwickeln von Prozessen zur Reduzierung der Produktionskosten


Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Das Ziel dieses Teilvorhabens ist die Erforschung und Entwicklung von Produktionsprozessen für die Herstellung von großformatigen Zellen, die die gesteigerten Anforderungen hinsichtlich der mechanischen, geometrischen und chemischen Anforderungen an großformatige Zellen erfüllen. Diese Anforderungen sollen einerseits die technischen Anforderungen der Automobilhersteller andererseits die wirtschaftlichen Anforderungen zum Einsatz in Automobilen ermöglichen. Ansätze zum Design-for-Manufacturing sollen genutzt werden und eine Reduzierung der durch die Zellmontage bedingten Produktionskosten um bis zu 15 % durch Vereinfachung der Montageabläufe und Skaleneffekte ermöglichen. Im Zuge dessen sollen Herstellungs- und Assembliertechnologien erforscht, entwickelt und teilweise demonstratorisch umgesetzt werden. Zusätzlich sollen diese Technologien konzeptionell erforscht und entwickelt werden, um die Technologie evaluieren zu können. Ziel ist es eine großformatige Lithium-Ionen-Zelle mit einem innovativen Gehäuse zu definieren. Die Herausforderung wird es sein, bereits vorhandene Produktionsprozesse auf die Bedürfnisse der Herstellungsprozesse für großformatige Zellen anzupassen. Hierzu müssen diese im ersten Schritt identifiziert sowie evaluiert werden. Somit ist es zwingend notwendig die speziellen Anforderungen an großformatige Zellen auszuarbeiten, um diese abschließend gezielt angehen zu können um praktikable Lösungsansätze zu finden, diese umzusetzen und final zu evaluieren.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Auf Basis der Anforderungsmanagements einer großformatigen Zelle, sollen die dort definierten Anforderungen durch ein neuentwickeltes Gehäusekonzept erfüllt werden. Dieses Konzept wird hinsichtlich Montierbarkeit bewertet und bei der Gestaltung der Zelle mitwirken. Aspekte zur Vereinfachung und Automatisierung der Produktion der Batteriezellen werden mit den Methoden „Design for Manufacturing (DFM)“ und „Design for Automation (DFA)“ erarbeitet. Durch eine angepasste Auslegung der Zelle können bereits bei der Zellherstellung Montageschritte vereinfacht bzw. substituiert werden, wodurch bei der Herstellung von Produktionsanlagen und bei der Produktion der Batteriezellen sowie der Batteriemodule die Kosten erheblich gesenkt werden. Durch gezielte Spezifizierung und Kostenanalyse entlang der gesamten Wertschöpfungskette sollen produktionskritische Prozess und Kostentreiber identifiziert werden. Hierzu werden die Einflüsse großformatiger Lithium-Ionen-Zelle auf die Fertigungsprozesse der Zellassemblierung (Notching/Schneiden, Laminieren, Stapeln, Heißpressen/Tapen, Tab Welding, Packaging und Befüllen) singulär betrachtet und deren Auswirkung auf die Anforderungen der Maschinen und Anlagen abgeleitet. Hieraus werden prozessseitige Limitierungen und Optimierungspotentiale identifiziert und Handlungsoptionen zur Befähigung der Fertigungsprozesse hinsichtlich Produktanforderungen und Produktionsgeschwindigkeit abgeleitet. Basierend auf den Handlungsoptionen werden Möglichkeiten zur Anpassung heutiger Maschinenkonzepte in Bezug auf die gestiegenen Anforderungen identifiziert und Maschinenkonzepte abgeleitet, die die Fertigung von großformatigen Lithium-Ionen-Zellen ermöglichen. Aufbauend auf der Identifikation von signifikanten Prozesseinflussgrößen zur Reduzierung von Ausschuss werden notwendige Inline- und andere Messsysteme konzeptioniert, um die Prozessstabilität (z. B. Hinsichtlich der Genauigkeit) bzw. die Produktqualität zu erfüllen, die für eine wirtschaftliche Fertigung von großformatigen Lithium-Ionen-Zellen notwendig ist.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die Thematik des Vorhabens ist von höchster industrieller Relevanz, da bis jetzt ein großer Teil der eingesetzten Batteriesysteme auf Lithium-Ionen-Basis produziert wird und sich zunehmend herausstellt, dass diese Produkte den steigenden Anforderungen – besonders der europäischen Automobilhersteller – hinsichtlich Energiedichte nicht genügen. Um eine Steigerung der Energiedichte zu erzielen, sind große Anstrengungen aus Forschung und Industrie notwendig. Durch den Einsatz von großformatigen Zellformaten ist eine Steigerung der Energiedichte möglich. Der Markt von Maschinen- und Anlagentechnik für großformatige Lithium-Ionen-Zellen wird heutzutage nur unzureichend bedient und beschränkt sich größtenteils auf manuelle Lösungen, die aus produktionstechnischer Sicht aufgrund von wirtschaftlichen Gesichtspunkten und sicherheitstechnischen Aspekten ungeeignet sind. Die Nachfrage des Weltmarktes nach Maschinen zur Fertigung von großformatigen Batteriezellen wird in den kommenden Monaten und Jahren erheblich ansteigen, da die von der Industrie geforderten Quantitäts- und Qualitätsmerkmale mit aktuellen, kleineren Lithium-Ionen-Zellen nicht erreicht werden können. Für die Beibehaltung der Wettbewerbsfähigkeit des deutschen Maschinenbaus im Batteriesektor erscheint es dringend geboten, verbesserte und zukunftsträchtige Batteriezelltechnologien zu erforschen und zu entwickeln, um solche Anlagentechnik auf dem Markt anbieten zu können. Potenziale hinsichtlich Performance durch höhere Energiedichte und geringere Kosten können erschlossen werden. Neben dem Einsatzbereich Elektromobilität ist ein Einsatz auch in stationären Energiespeichern sowie Nischenmärkten denkbar.


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.02.2019 bis 31.01.2022
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 2.519.183,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

Teilprojekt 1:

Förderkennzeichen: 03XP0207A

Manz AG
72768 Reutlingen

Teilprojekt 2: Auslegung Zelle

Förderkennzeichen: 03XP0207B

ElringKlinger AG
72581 Dettingen an der Erms

Teilprojekt 3:

Förderkennzeichen: 03XP0207C

Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH
71254 Ditzingen

Teilprojekt 4:

Förderkennzeichen: 03XP0207D

Futavis GmbH
52477 Alsdorf

Teilprojekt 5:

Förderkennzeichen: 03XP0207E

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

Teilprojekt 6:

Förderkennzeichen: 03XP0207F

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

Technische Universität München, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik - Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik
80333 München

Fördergeber: BMBF, Referat 523

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Lithium-Ionen-Zellen sind die Schlüsselkomponente für einen Erfolg der Elektromobilität. Die zellinternen Komponenten sind von einem Gehäuse umgeben, an das vielfältige Anforderungen gestellt werden. So ist das Zellinnere von äußeren Einflüssen zu schützen und gleichsam der Schutz vor Austritt der zellinternen, zum Teil giftigen und brennbaren Stoffe unerlässlich. Zudem muss das Zellgehäuse die Kühlfunktion übernehmen, Anforderungen bzgl. der Modulintegrierbarkeit erfüllen und möglichst kostengünstig und aufwandsarm fertigbar sein. Ansätze des „Design for Assembly“ und des „Design for Manufacturing“ (DfA/DfA) finden derzeit kaum Berücksichtigung.
Aktuell basiert die Zellherstellung auf den konventionellen, bereits etablierten Zellbauformen (Pouch-Zellen oder Hardcase-Zellen). Für eine hohe spezifische Energie einer Lithium-Ionen-Batterie ist generell ein möglichst großes Verhältnis zwischen der gespeicherten Energie und der Gehäusemasse, sowohl auf Zell-, als auch auf Modulebene elementar. Dies kann insbesondere durch großformatige Gehäusekonzepte realisiert werden, die nach aktuellem Stand der Technik weitestgehend unerforscht sind. Die Produktion und die Nutzung großformatiger Lithium-Ionen-Zellen sind weiterhin derzeit noch mit hohen Herausforderungen verbunden, die sowohl produktions- und montagetechnischer Natur sind, als auch die Sicherheit und die Kühlung des Zellstapels betreffen.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Im Fokus des Projekts InnoCase steht die Erforschung und Entwicklung neuartiger Gehäusekonzepte, welche die Vorteile herkömmlicher Gehäusetypen vereinen. Die beteiligten Produktionsprozesse sollen im Projekt ebenfalls (weiter-)entwickelt werden. Da großformatige Lithium-Ionen-Zellen erhöhte Anforderungen an die Zellauslegung stellen (Temperaturverteilung, Stromleitung über große Elektrodenflächen, Sicherheitseigenschaften), ist die numerisch gestützte Zellauslegung ein weiterer Projektschwerpunkt. Diese Herausforderungen werden im Projekt InnoCase in einem Konsortium aus Industrie und Forschung adressiert, das Partner entlang der gesamten Wertschöpfungskette von Lithium-Ionen-Zellen-Gehäusen beinhaltet. Im Fokus des Projekts InnoCase steht die Senkung der Herstellungskosten von Lithium-Ionen-Zellen durch die Erforschung und Entwicklung innovativer, großformatiger Gehäusekonzepte, welche die Vorteile herkömmlicher Gehäusetypen vereinen. Durch eine vereinfachte Zellmontage, die Substitution und Vereinfachung von Fügeprozessen und eine verbesserte Modulintegrierbarkeit, sind Einsparungen bei den Produktionskosten der Lithium-Ionen-Zellen zu erwarten. Die Festlegung der Elektrodenaktivmaterialien sowie des Separators und eines geeigneten Elektrolyten erfolgen bereits früh im Projekt, da hier auf Standardmaterialien zurückgegriffen wird. Innerhalb der Konzeptphase werden prototypische Zellen hergestellt, wobei nach zwei Projektjahren die Definition des finalen Zellkonzepts erfolgt. Von diesem Zelltyp werden im Anschluss Zellen produziert, die abschließend zu einem Modul assembliert werden. Die Validierung dieses Moduls, das auch über ein neu entwickeltes Batteriemanagementsystem (BMS) verfügt, stellt den Abschluss des Projekts dar. Projektübergeordnet wird eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchgeführt.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Batteriemodule mit großformatigen Batteriezellen werden zukünftig in zahlreichen Branchen, insbesondere aber im Elektromobilitätssektor, eingesetzt werden. Damit die deutsche Industrie in diesem aussichtsreichen Markt ihre Konkurrenzfähigkeit sicherstellen kann, ist das Projekt InnoCase von ausgesprochen hoher Wichtigkeit. Bei einer erfolgreichen Umsetzung kann dem Markt die Anlagentechnik, die sich für die Fertigung von größeren Zellen eignet, bereitgestellt werden. Weiterhin können optimierte Gehäuse für großformatige Zellen ausgelegt und deren Herstellbarkeit im Rahmen von Musterteilen bestätigt werden. Damit kann die Nachfrage aufgrund des technologischen Trends nach immer größer werdenden Zellen gedeckt werden und die Wettbewerbsfähigkeit im wachsenden Markt der Elektromobilität und dem der stationären Energiespeicher sichergestellt werden. In zahlreichen Produktionsanlagen für Lithium-Ionen-Zellen kommen derzeit lasertechnische Installationen zum Einsatz, sodass hier von einem weiteren großen Potential ausgegangen werden kann. Neben einer Umsetzung der Forschungsergebnisse im PKW-Sektor ist ebenfalls eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den gesamten Automobilmarkt bzw. Elektromobilmarkt denkbar. Ein besonderer Mehrwert könnte für den Nutzfahrzeugsektor geschaffen werden, da die Energiespeicher im Vergleich zu PKW deutlich größer sind. Durch die Wirtschaftlichkeitsbewertung der großformatigen Zelle wird gewährleistet, dass das neue Zellformat eine realistische Kostenbewertung erfährt, was zur Marktakzeptanz beitragen kann. Darüber hinaus sollen durch die wirtschaftliche Betrachtung die Kosten des Zellformats hinsichtlich des gesamten Lebenszyklus aufgezeigt werden. Dies hilft potenziellen Anwendern, das Potential der Technologie abzuleiten und für ihre Anwendung in Betracht zu ziehen.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil, Undefiniert

Förderempfänger

Industrie, undefiniert, 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

Anwendungsfelder

mobil Antriebsart BEV

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
Produktmanagement
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
zum Internetauftritt