OptiFeLio

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

Teilprojekt 1

Zellintegrierte Sensorik, eigensichere Zelle, Kunststoffgehäuse und funktionsintegriertes Zellgehäuse

Laufzeit: 01.10.2014 bis 30.09.2017

Fördersumme: 296.876,00 €

Projektvolumen: keine Angabe
 

ausführende Stelle:

GreenIng GmbH & Co. KG
Bahnhofstr.  109
71397 Leutenbach

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

GreenIng GmbH & Co. KG

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 523

Förderkennzeichen: 16EMO0056K

Projektträger: PT-VDI/VDE

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

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Teilprojektes

  • Sensorik für kostengünstige Integration in den Produktionsprozess
  • Entwicklung eines Notentladesystems zur Herstellung einer eigensicheren Zelle bzw. eines eigensicheren Zellmoduls
  • Entwicklung eines Notkühlsystems zur Herstellung einer eigensicheren Zelle bzw. eines eigensicheren Zellmoduls
  • Konzeptstudie und Designentwurf zu Kunststoffgehäusen bei prismatischen Zellen zur Kostenreduktion bei der Produktion
  • Optimierung der thermischen Kopplung in der Zelle und im Modul


Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Um die Verbreitung von elektrisch betriebenen Fahrzeugen zu beschleunigen und diese in der Akzeptanz der Bevölkerung zu stärken, müssen vor allem die Kosten für die Anschaffung reduziert werden und Ängste bezüglich der Sicherheit der Energiespeicher abgebaut werden. Berichte über sekundäre elektrochemische Energiespeicher, die sich ohne Vorwarnung oder erkennbare Schädigung durch zum Beispiel einen Unfall oder Manipulation in einem Fahrzeug selbst entzünden und teilweise sogar explodieren, verunsichern die Käufer oder halten sie ganz vom Kauf ab.

Um diesen Ängsten der Käufer entgegenzuwirken, sollen Einrichtungen und Sicherheitsmechanismen im Projekt OptiFeLio entwickelt und bezüglich der Umsetzbarkeit, Kosten und Nutzen validiert werden.

Gründe für eine Fehlfunktion des Energiespeichers, die nicht durch einen Unfall oder durch Manipulation entstanden sind, sind auf zellinterne Qualitätsmängel bei der Produktion, einen Gebrauch der Zellen beziehungsweise der Traktionsbatterie außerhalb des zulässigen Bereichs der Temperatur oder Aufladung oder auf die Alterung der Zellen zurückzuführen. Diese Mängel führen dann zu internen Kurzschlüssen, das heißt Kleinstberührungen der Elektroden durch den Separator hindurch, die zu einer Erhöhung der Temperatur und zu weiterer Beschädigung des Separators führen können. Wenn die Temperatur einer Zelle eine gewisse kritische Temperatur übersteigt, kann eine exotherme Reaktion eintreten und weitere Zellen "anstecken". Diese Situation soll durch geeignete Maßnahmen verhindert werden.

Durch den Einsatz von Sensorik in den Zellmodulen sollen kritische Zustände der einzelnen Zellen, beziehungsweise der Module erkannt werden, um sicherheitsrelevante Maßnahmen einleiten zu können. Zusätzlich soll das Projekt die Kosten dieser Sensorik reduzieren und die Möglichkeit der Einbindung in einen automatisierten Herstellungsprozess der sekundären elektrochemischen Energiespeicher möglich machen. Als ein Ziel ist die Erreichung einer "eigensicheren Zelle" zu nennen.

Ein weiteres Arbeitspaket von GreenIng beschäftigt sich mit alternativen Zellgehäusematerialien und Zellgehäuseformen, die einerseits die Kosten bezüglich Materials, Produktion und Herstellung senken und andererseits eine bessere Einbindung in automatisierte Herstellungsprozesse der sekundären elektrochemischen Energiespeicher ermöglichen.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Damit ein kritischer Zustand einer Lithium-Ionen-Zelle in einen sicheren Zustand überführt werden kann, muss der kritische Zustand zelleinzeln sensiert werden, sodass Maßnahmen auch auf die einzelnen Zellen angewandt werden können.

Es wurden Versuche an Lithium-Ionen-Pouchzellen, auf einem selbst entwickelten und aufgebauten Batterieprüfstand, durchgeführt, um die optimale Sensorik und Position an den Zellen zu ermitteln. Dabei haben sich aufgrund von Kosten und möglicher prozesssicherer Aufbringung Thermosensoren in mittiger Position auf der Außenhülle ergeben. Diese können mittels Druckverfahren direkt auf die Hülle gedruckt werden und somit in einen automatisierten Prozess der Zellherstellung integriert werden. Zusätzlich bietet das Druckverfahren für Sensoren den Vorteil, dass auch unebene bis hin zu dreidimensionale Körper bedruckt werden können.

Ist ein kritischer Zustand sensiert, soll über zwei Maßnahmen die Sicherheit des Moduls und der Gesamttraktionsbatterie hergestellt beziehungsweise sichergestellt werden. Zuerst sollte die Wärmeenergie, die bei einem thermischen Durchgehen ("thermal runaway") einer Zelle entsteht, abgeführt oder gekühlt werden. Somit sollten sich andere Zellen nicht übermäßig erhitzen und selbst in einen kritischen Zustand kommen. Dazu wurde ein Notkühlsystem für Lithium-Ionen- Traktionsbatterien entwickelt und konstruktiv dargestellt.

Eine weitere sinnvolle Maßnahme ist, den Energiegehalt der Zelle auf ein nichtkritisches Maß zu reduzieren. Je höher der Energiegehalt einer Zelle ist, desto mehr chemisch gespeicherte Energie kann zu Wärmeenergie umgewandelt werden. Deshalb wurde zusätzlich zum Notkühlsystem ein Notentladesystem entwickelt und konstruktiv dargestellt.

Beide Systeme wurden so entworfen, dass die Einleitung von Notkühlung und Notentladung allein durch die Temperatur der kritischen Zelle ausgelöst wird. Somit ist eine eigensichere Zelle beziehungsweise ein eigensicheres Batteriemodul hergestellt. Die Thermosensoren können dabei aber auch eine aktive Auslösung der Notkühlung und Notentladung bewirken, sie sollen vornehmlich allerdings den Fahrer darüber informieren, dass ein Problem mit der Traktionsbatterie besteht und dass eine Werkstatt angefahren werden muss. Dies erhöht die Sicherheit von elektrisch und mit Lithium-Ionen-Zellen betriebenen Fahrzeugen.

Weiter wurden, um die Herstellungskosten zu senken und Automatisierbarkeit zu erhöhen, eine Konzeptstudie und Designkonzepte für prismatische Gehäuse aus Kunststoff erarbeitet.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

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. Darüber hinaus werden die Forschungsergebnisse auch für Vorträge auf Fachveranstaltungen genutzt. Dazu gehört zum einen der von der eMobil BW veranstaltete Technologietag sowie das Symposium Elektromobilität der Technischen Akademie Esslingen.
Durch die Kooperation während des Projekts soll zudem die Zusammenarbeit mit den beteiligten Industriepartnern gestärkt werden, was in der Folge Potenzial für weitere Kundenaufträge bietet. Die bisher schon gute Zusammenarbeit von GreenIng mit den Forschungsinstituten soll zudem weiter intensiviert werden und als Basis für weitere Projekte dienen.

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.


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

Teilprojekt 2: Thermal Abuse 

Förderkennzeichen: 16EMO0057

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

Teilprojekt 3: Alternative Herstellungsverfahren von neuartigen funktionsintegrierten Lithium-Batteriezellgehäusen

Förderkennzeichen: 16EMO0058

ElringKlinger AG
72581 Dettingen an der Erms

Teilprojekt 4: Messen thermischer Parameter, Wärmeflüsse und Sicherheitstests an Lithium-Ionen-Zellen

Förderkennzeichen: 16EMO0059

Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie
76327 Pfinztal

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

Teilprojekt 6: Bau einer Technikumsanlage für die Erforschung des Tiefziehprozesses von Aluminiumverbundfolie

Förderkennzeichen: 16EMO0061

Maschinenfabrik Lauffer GmbH & Co. KG
72160 Horb am Neckar

Teilprojekt 7: Konzeptentwicklung zur Automation von Tiefziehprozessen für Verpackungsfolien

Förderkennzeichen: 16EMO0062

Manz AG
72768 Reutlingen

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

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

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

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

Teilprojektleiter

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

Kontaktformular


Verbundprojektleiter

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


Pressekontakt für Teilprojekt

Herr Dr. Uwe Kehn


Pressekontakt für Verbundprojekt

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