Cell-Fill

Prozess-Struktur Eigenschaftsbeziehung für Befüllungs- und Wettingprozesse von großformatigen Lithium-Ionen-Batterien

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.10.2019 bis 30.09.2022
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 2.555.659,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: 2.555.659,00 €

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Teilprojekt 1

Förderkennzeichen: 03XP0237A

Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Battery LabFactory Braunschweig
38106 Braunschweig
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Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Fakultät 4 - Maschinenbau - Institut für Partikeltechnik
38104 Braunschweig
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Teilprojekt 2

Förderkennzeichen: 03XP0237B

Technische Universität München, Fakultät für Maschinenwesen - Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften
85748 Garching
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Teilprojekt 3

Förderkennzeichen: 03XP0237C

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
48149 Münster
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Teilprojekt 4

Förderkennzeichen: 03XP0237D

Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme
01277 Dresden
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Teilprojekt 5

Förderkennzeichen: 03XP0237E

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

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 Prozessschritt mit hoher Kapitalbindung. Die in Cell-Fill untersuchten Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen stellen entscheidende Schritte in Richtung konkurrenzfähiger Energiespeicherfertigung dar.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Die Elektrolytbefüllung einer Lithium-Ionen-Batterie und das anschließende Wetting sind wesentliche Prozessschritte in der Batterieproduktion und stellen die Schnittstelle zwischen Zellmontage und Formierung dar. Trotz des hohen Potenzials für Durchsatzerhöhung und Kostensenkung aufgrund von verkürzten Lagerzeiten 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 kaum systematisch erfasst worden. Zur Beschreibung des Befüll- und Wettingprozesses sind lediglich qualitative Modellierungsansätze aber keine quantitativen Beschreibungen des Einflusses möglicher Prozessparameter (z. B. Druck, Temperatur und Dosiermenge) auf die Benetzungszeit und die Produktqualität bekannt. Zusätzlich fehlen für die In-line-Überwachung des Befüllungsprozesses erprobte Methoden.

Im Rahmen des Projektes Cell-Fill wird daher der Themenkomplex Befüllung und Wetting wissenschaftlich untersucht. Die Weiterentwicklung von Prozess-Struktur- bzw. Qualitäts-Eigenschaftsfunktionen liegt im Fokus des Projektes. Aufbauend auf den Erkenntnissen des Vorgängerprojektes Cell-Fi soll außerdem die Durchlaufzeit um bis zu 30 Prozent reduziert werden. Hierbei liegt ein Fokus auf der Untersuchung von innovativen Elektrolyten, Additiven und oberflächenmodifizierten Separatoren zur Identifizierung materialseitiger Optimierungspotenziale. Außerdem werden zur Optimierung der Befüll- und Wettingprozesse innovative Prozess- und Zelldesigns untersucht. Die finale Ableitung einer zeit- und kostenoptimierten Befüll- und Wettingstrategie erfolgt dabei, über die Entwicklung quantitativer Modelle, simulationsbasiert. Ein weiteres Projektergebnis ist die Entwicklung einer in-line-fähigen ultraschallbasierten Messtechnik zur Charakterisierung des Benetzungszustandes großformatiger Lithium-Ionen-Batterien.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

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.

Quelle: https://www.prozell-cluster.de/projekte/cell-fill/ (jüngster Zugriff: 07.05.2020)

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien, Undefiniert

Anwendungsfelder

mobil, stationär, Undefiniert

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

Schlagworte der Teilprojekte des Verbundprojekts

Teilprojekt 1

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien

Forschungsgegenstand

Zelle

Zelle Separator oberflächenmodifiziert

Zelle Elektrolyt

Zelle Elektrolyt flüssig flüssige Lösungen Additive

Forschungsbereiche

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Assemblierung Elektrolytbefüllung In-Line-Überwachung

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Assemblierung Elektrolytbefüllung Befüllung

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Assemblierung Elektrolytbefüllung Benetzung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Durchsatzzeit

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Kosten

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Maschine-Prozess-Strukturbeziehung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Qualitäts-Eigenschaftsbeziehungen

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Untersuchung einstellbarer Parameter

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Zelle Zelldesign

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Bauteil- und Komponentenentwicklung Elekrolytformulierung

Analytik und Charakterisierung Modellentwicklung

Analytik und Charakterisierung Methode Modellierung und Simulation Simulation

Anwendungsfelder

mobil

stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Teilprojekt 2