OptiFeLio

Optimierte Design- und Produktionskonzepte für die Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriegehäusen

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.10.2014 bis 30.09.2017
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 1.738.486,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

 

Teilprojekt 1

Zellintegrierte Sensorik, eigensichere Zelle, Kunststoffgehäuse und funktionsintegriertes Zellgehäuse

Förderkennzeichen: 16EMO0056K

GreenIng GmbH & Co. KG
71397 Leutenbach
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Teilprojekt 2

Thermal Abuse 

Förderkennzeichen: 16EMO0057

Daimler AG - Group Research & MBC Development - RDIEDB - HPC 059-X456
71063 Sindelfingen
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Teilprojekt 3

Alternative Herstellungsverfahren von neuartigen funktionsintegrierten Lithium-Batteriezellgehäusen

Förderkennzeichen: 16EMO0058

ElringKlinger AG
72581 Dettingen an der Erms
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Teilprojekt 4

Messen thermischer Parameter, Wärmeflüsse und Sicherheitstests an Lithium-Ionen-Zellen

Förderkennzeichen: 16EMO0059

Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie
76327 Pfinztal
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Teilprojekt 5

Erforschung des Tiefziehprozesses bei Verpackungshalbschalen für Lithium-Ionen-Pouch-Zellen

Förderkennzeichen: 16EMO0060

Karlsruher Institut für Technologie - Fakultät für Maschinenbau - wbk Institut für Produktionstechnik am Campus Nord, Elektromobilität
76131 Karlsruhe
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Teilprojekt 6

Bau einer Technikumsanlage für die Erforschung des Tiefziehprozesses von Aluminiumverbundfolie

Förderkennzeichen: 16EMO0061

Maschinenfabrik Lauffer GmbH & Co. KG
72160 Horb am Neckar
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Teilprojekt 7

Konzeptentwicklung zur Automation von Tiefziehprozessen für Verpackungsfolien

Förderkennzeichen: 16EMO0062

Manz AG
72768 Reutlingen
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Teilprojekt 8

Verifikation neuer Gehäusedesign-Konzepte aus Sicht einer Zellproduktion unter möglichst seriennahen Bedingungen

Förderkennzeichen: 16EMO0063

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg – Standort Ulm, Geschäftsbereich Elektrochemische Energietechnologien
89081 Ulm
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Fördergeber: BMBF, Referat 523

Projektträger: PT-VDI/VDE

Leistungsplansystematik:
GC3020 Gesamtsystem Elektrofahrzeug (mit Fokus auf Fahrzeugelektronik und Energiemanagement, Fahrzeugkonzepte und Herstellungsverfahren)

Förderprofil:
Technologie- und Innovationsförderung

Förderart:
PDIR

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Fossile Energieträger stellen im Bereich der individuellen Mobilität gegenwärtig die wichtigste Säule der Energieversorgung dar. Durch die begrenzte Verfügbarkeit dieser fossilen Ressourcen, die zur Erzeugung der Antriebsleistung in Fahrzeugen genutzt werden, sind jedoch zunehmend alternative und gleichzeitig nachhaltige Antriebsstrategien notwendig. Die Elektrifizierung des Antriebsstranges drängt sich folgerichtig mehr und mehr in den Vordergrund politischer Diskussionen. Bis zum Jahr 2020 sollen nach den Wünschen der Bundesregierung 1 Million Elektrofahrzeuge auf deutschen Straßen unterwegs sein.

Die größte Herausforderung stellt in diesem Zuge die Entwicklung leistungsfähiger und kostengünstiger Energiespeichersysteme dar. Kurz- und mittelfristig bieten Lithium-Ionen-Batterien (LIB) das größte Potenzial zur Speicherung großer Mengen Energie. Sie verfügen über eine hohe Energie- und Leistungsdichte. Lediglich ihr hoher Preis, der insbesondere durch Montageprozesse bei den einzelnen Batteriezellen getrieben wird, steht einem Durchbruch der Elektromobilität aktuell im Weg. Um den Kostenzielen der Automobilindustrie gerecht zu werden, ist eine drastische Verbesserung der eingesetzten Fertigungstechnologien vonnöten. Vor allen Dingen gilt es, die Anlagenproduktivität zu optimieren und die Ausschussraten in der Produktion zu senken.

Ziel dieses Projektes ist es, diesen kostenintensiven Produktionsprozessen bei der Fertigung von Zellgehäusen bei Pouch- bzw. prismatischen Zellen Einhalt zu gebieten und somit einen entscheidenden Beitrag zum strategischen Ziel der Umsetzung der Vision einer leistungsfähigen, schadstoffarmen und marktgetriebenen Mobilität.

Einerseits soll dieses Ziel durch die Weiterentwicklung bestehender Herstellverfahren bei den Gehäusen von Lithium-Ionen-Zellen gelingen. Beispielsweise soll im Projektverlauf der Tiefziehprozess von Aluminiumverbundfolie zu Verpackungshalbschalen bei Pouch-Verpackungen durch Kaltumformen verbessert werden und die Ergebnisse mittels Demonstrator validiert werden.
Andererseits ist die Vereinfachung von Fertigungsprozessen bei prismatischen Gehäusen durch den Einsatz neuer Produktdesigns und alternativer Materialien geplant. Durch eine funktionsintegrierte Gestaltung des Zellgehäuses soll zudem die Möglichkeit geschaffen werden, Sensorik zur Detektion wichtiger Zellparameter auf einfache Weise zu integrieren, um damit zukünftig auftretende Fehlfunktionen aller Art bereits auf Zellebene zu erkennen und entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten zu können.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Aufgabe ist einerseits die Erforschung eines prozesssicheren, vollautomatischen Tiefziehprozesses für Aluminiumverbundfolie zur Herstellung von Verpackungshalbschalen von Lithium-Ionen-Pouch-Zellen. Ein ausgereiftes Prozessverständnis existiert bisher nicht für die erwarteten Formate der Automobilindustrie, weil das Zusammenspiel von Maschinenparametern und den komplexen Vorgängen im Verbundmaterial bei diesem Prozess bislang nicht bekannt ist.

Ein weiteres Ziel ist die Erstellung eines umfassenden Sicherheitskonzepts für Pouch-Zellen. Dieses Sicherheitskonzept soll die Integration von Sensorik zur Überwachung des elektrischen und thermischen Zustands der Zelle adressieren. Außerdem soll es ein Notentladesystem auf Zellebene beinhalten. Um die Überhitzung von Zellen zu vermeiden, soll zudem ein Notkühlsystem integriert werden.

Weiter werden neu erarbeitete Designlösungen für prismatische Zellen erarbeitet, mit denen einzelne Schritte des Herstellprozesses optimiert werden sollen. Es sollen Aluminium und Kunststoff bzw. der Verbund von Aluminium und Kunststoff als mögliche Werkstoffe für die Fertigung von Zellgehäusen untersucht werden. Dabei werden verschiedene Fügeverfahren betrachtet und auf ihre Prozesstauglichkeit hin untersucht.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Integration zusätzlicher Funktionen in die neuen Gehäuseformen. Hierbei stehen besonders die thermische Kopplung des Elektrodenwickels mit dem Zellgehäuse sowie die Teilintegration von Kühlstrukturen in das Zellgehäuse im Vordergrund.

Bei den geplanten Forschungsthemen rund um die Gehäuse von Lithium-Ionen-Zellen gibt es drei wesentliche Kriterien, die bei deren Produktion unbedingt zu erfüllen sind:
1. Qualität: Erreichung der geforderten Langlebigkeit von Lithium-Ionen-Zellen im Bereich von ca. zehn Jahren. Um dies zu gewährleisten, muss das Gehäuse so gestaltet sein, dass es sich nahezu dicht verschließen lässt.
2. Sicherheit: Das hohe Gefahrenpotenzial, das von Lithium-Ionen-Zellen während der langjährigen Verwendung im Automobil ausgeht, muss minimiert werden. Zu berücksichtigen sind dabei Gefährdungen, die durch eine fehlerhafte Produktion der Zellgehäuse hervorgerufen werden können. Fertigungsgerechte Zelldesigns, welche eine Fehlmontage der Zelle erschweren, tragen dazu bei.
3. Wirtschaftlichkeit: Die gesamte Produktion der Lithium-Ionen-Zelle und damit auch die der Gehäuseherstellung muss prozesssicher durchführbar sein. Selbst bei den hohen Taktraten müssen die Ausschussraten extrem niedrig gehalten werden. Außerdem trägt ein tiefgründiges Verständnis für die angewandten Fertigungsprozesse maßgebend zur Reduktion von Produktionsausschüssen bei.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Mit OptiFeLio werden am Fraunhofer ICT die Voraussetzungen geschaffen, realitätsnahe Kennwerte von Lithium-Ionen-Zellen unterschiedlicher Bauform für numerische Simulationsrechnungen zu ermitteln. Dies schafft die Möglichkeit die Expertise auf dem Gebiet der Simulationen am ICT auszubauen.

Das wbk (Institut für Produktionstechnik) möchte durch die Teilnahme am Projekt OptiFeLio das eigene Forschungsprofil im Bereich der Produktionstechnik von Lithium-Ionen-Pouch-Zellen ausbauen und damit weitere anwendungsnahe Forschungsvorhaben beantragen und Kontakte zu Industriepartnern aufbauen. Darüber hinaus können gewonnene Erkenntnisse im Vorlesungsbetrieb an zukünftige Wissenschaftler weitergegeben und vermittelt werden.

Das ZSW möchte für schutzfähige Bestandteile der Prozessanpassungen entsprechende Rechte anmelden und interessierten Anlagenbauern über Lizensierungen zur Verfügung stellen; alle Anpassungen sollen mit ausgewählten Anlagenherstellern diskutiert werden, welche die Optimierungsansätze in ihre Anlagenkonzepte einfließen lassen können. Darüber hinaus ist vorgesehen, gemeinsam mit ausgewählten Industrie-Projektpartnern, die an einer Umsetzung Interesse haben, Nachfolgeprojekte zur Vertiefung einzelner Konzepte durchzuführen; zusätzlich werden die Ergebnisse in Forschungsarbeiten des ZSW zur Optimierung der Herstellprozesse einfließen und zu vertiefenden Untersuchungen auf der Forschungsproduktionslinie führen, u.a. im Rahmen von Bachelor- oder Masterarbeiten.

Die Projektergebnisse werden dazu beitragen, die ElringKlinger AG als industrieller Komponentenanbieter im Bereich der Elektromobilität mit Kompetenz in der Serienfertigung zu etablieren. Durch die Ergebnisse können zukünftig kundenspezifische Lösungen für komplexen Batteriezellgehäusen schneller und flexibler gefunden werden. Die zu entwickelnden, neuartigen Batteriezellgehäuse werden durch ihre Beständigkeit und Qualität einen Beitrag zur Erhöhung der Akzeptanz und Marktfähigkeit der Elektromobilität leisten. Es ist vorgesehen innerhalb von drei Jahren nach Projektende eine Kleinserienproduktion von Batteriezellgehäusen für BEV aufzubauen. Diese Batteriezellgehäuse sollen als Komponenten für LIB an deutsche Batteriezellhersteller geliefert werden.

Die erfolgreiche Durchführung des Projekts bietet für die Firma GreenIng zahlreiche Möglichkeiten, die Ergebnisse nach Projektende zu verwerten. Zum einen soll die Kompetenz im Bereich Batterietechnologie ausgebaut werden. Diese Wissenserweiterung kann in Kundenprojekten eingesetzt werden. Ein im Projekt entwickeltes Sicherheitskonzept für Lithium-Ionen Batteriezellen könnte über das Projekt hinaus vielfältig eingesetzt werden und für GreenIng die Möglichkeit bieten seinen Bekanntheitsgrad über die erlangte Kompetenz hinaus deutlich zu steigern.

Da Manz als globaler Anbieter für Speichertechnologien auftritt werden die gewonnen Erkenntnisse in bestehende und geplante Entwicklungen einfließen. Darüber hinaus sollen die Demonstratoren in die Anlagen zur Zellfertigung am KIT integriert werden und damit einem breiten Kreis von Entwicklern und Anwendern zugänglich gemacht werden. Mittelfristig ist die Patentierung einzelner Verfahrensschritte angedacht.

Auf der Grundlage des erarbeiteten Wissens kann die Maschinenfabrik Lauffer GmbH & Co KG neue Erkenntnisse insbesondere in den Bereichen der sensitiven Formgebung sowie der Prozess-bzw. Steuerungsverbesserung gewinnen. Diese sollen in folgende Produktgestaltungen einfließen, um den zukünftigen Marktanforderungen gerecht werden zu können.

Im Projekt erforschte, schützenswerte Lösungen sollen in Form von Gebrauchsmustern oder Patenten angemeldet werden und über Lizenzvereinbarungen Dritten zur Verfügung gestellt werden.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil, stationär

Förderempfänger

Dienstleister, Industrie, Forschungs- und Entwicklungseinrichtung


Schlagworte der Teilprojekte des Verbundprojekts

Teilprojekt 1

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Format prismatisch

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Format Pouch

Forschungsgegenstand

Zelle

Zelle Gehäuse/ Verpackung Kunststoff

Forschungsbereiche

Sicherheit Systementwicklung

Sicherheit Zelle Notkühlung

Sicherheit Zelle Notentladung

Sicherheit Zelle Sensorik Thermo

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Dienstleister Fahrzeugtechnik

Teilprojekt 2

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Industrie Automobil

Teilprojekt 3

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Industrie Zulieferer Automobil

Teilprojekt 4

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung außeruniversitäre Einrichtung

Teilprojekt 5

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Format Pouch

Forschungsbereiche

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Assemblierung Einbringen in Verpackung Tiefziehen von Pouchfolien

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Anforderungen an eingesetzte Materialien

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Untersuchung einstellbarer Parameter

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Demonstrator Testzelle

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Bauteil- und Komponentenentwicklung

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung außeruniversitäre Einrichtung

Teilprojekt 6

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Industrie Anlagen-, Maschinenbau und Automatisierung

Teilprojekt 7

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Industrie Anlagen-, Maschinenbau und Automatisierung

Teilprojekt 8

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Format prismatisch

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Format Pouch

Forschungsgegenstand

Zelle Gehäuse/ Verpackung

Forschungsbereiche

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Assemblierung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Testproduktion

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Machbarkeitsstudie

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Konzeptentwicklung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Ausschussrate

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Durchsatzzeit

Anwendungsfelder

mobil

stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung unabhängige Einrichtung

Verbundprojektleiter

Herr Dr. Uwe Kehn
GreenIng GmbH & Co. KG
Bahnhofstr. 109
71397 Leutenbach-Nellmersbach

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Herr Dr. Uwe Kehn
Bahnhofstr. 109
71397 Leutenbach-Nellmersbach