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

Prismatische Batteriezellen mit Flachwickeln haben sich in der Praxis gut bewährt und sind bei der deutschen Automobilindustrie weit verbreitet für den Einsatz in Elektroautos. Künftig sollen die Elektrodenbänder in der Zelle statt gewickelt auch gestapelt werden. Mit Stapeln anstatt Wickeln der Elektroden soll bei rechteckigen Zellformaten wie den PHEV-1-Zellen ein sehr homogener Aufbau des Zellstapels und eine bessere Raumausnutzung des Gehäuses („Hardcase“) erreicht werden.

Insbesondere sind die Ziele des Teilprojekts des ZSW, die Energiedichte, Lebensdauer (Zyklenfestigkeit), Sicherheit und Qualität von Lithium-Ionen-Zellen bei gleichzeitiger Einsparung von Produktionskosten zu steigern und damit einen wichtigen Beitrag für den Aufbau einer wirtschaftlichen und nachhaltigen Batteriezellproduktion zu leisten. Dies soll erreicht werden durch die Entwicklung und Erprobung von Hochgeschwindigkeitsprozessen für das Einzelblattstapeln von energiereichen Elektrodenbändern mit hoher Massenbelegung und verbesserten keramischen Separatoren, was zu einer besseren Raumausnutzung und einem homogeneren Aufbau des Zellstapels führt.

Das ZSW wird im Projekt ein neues Stapel-Verfahren in Batteriezellen charakterisieren und evaluieren. Weiterhin wird das ZSW die Ergebnisse gegen das Referenzsystem qualifizieren, um die Prozessfähigkeit des Verfahrens im seriennahen Produktionsmaßstab auf eine belastbare Datenbasis zu stellen. Das ZSW wird die Forschungsproduktionslinie nutzen um die Ergebnisse der Verbundpartner Manz (Bau eines Demonstrator-Staplers) und Freudenberg (Entwicklung eines verbesserten Separators) zusammenzuführen und am PHEV-1-Zellformat im industrienahen Maßstab als Gesamtpaket zu validieren.

Die hauptsächlichen Herausforderungen in diesem Projekt bestehen in dem geringen Durchsatz bei den derzeit verfügbaren Anlagen für die Massenfertigung für Einzelblatt-Stapelverfahrens, der um den Faktor zwei bis sechs niedriger als beim Wickeln liegt, sowie der notwendigen Präzision beim ultraschnellen und hochpräzisen Stapeln der einzelnen Elektroden-Blätter (aufgrund der Biegeschlaffheit der Materialien in großformatigen Zellen).

Die ZSW-Wissenschaftler werden für die notwendige prozessbegleitende Analytik und Tests sowie für den vollautomatischen Zellenbau (Assemblierung) sorgen. Hier stehen eine verbesserte Durchsatzgeschwindigkeit und die Präzision im Fokus. Diese Faktoren entscheiden über Herstellkosten und Produktausbeute bei einer kommerziellen Batterieproduktion. Mit dem High-Tech-Stapler und einem neuen, optimierten Separator werden Musterzellen im industriellen Maßstab hergestellt und evaluiert. Im Fokus steht der Vergleich von Wickelzellen mit Stapelzellen im PHEV-1-Format.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll u. a. ein Prototyp zum schnellen Stapeln erforscht, entwickelt, aufgebaut und qualifiziert werden. Der Schwerpunkt am ZSW liegt auf den Themen Referenz- und Musterzellenbau und -charakterisierung und lässt sich in folgende Teilaufgaben im Gesamtverbund unterteilen:

• Auslegung einer Versuchs- und Qualifizierungsmatrix für die zu erarbeitenden Prozessschritte

• Versuchsdefinition, Spezifikation des Zelldesigns, Beschaffung der Aktivmaterialien, Rezepturentwicklung und Herstellung der Elektrodenbänder

• Identifizierung und Evaluierung kritischer Prozessschritte im Gesamtherstellungsprozess

• Herstellung und Evaluierung von Referenzzellen im PHEV-1-Format

• Unterstützung bei Aufbau und Inbetriebnahme des Demonstrator-Staplers im Trockenraum der FPL in Zusammenarbeit mit der Firma Manz

• Herstellung und Evaluierung von Musterzellen im PHEV-1-Format mit dem neu entwickelten Stapelverfahren

• Analyse und Charakterisierung von Zwischenprodukten aus den neuen Prozessschritten, die bei den Projektpartnern erarbeitet wurden

• Vergleich von Referenz- und Musterzellen hinsichtlich Zellperformance, Herstellzeit, Kosten, Qualität, Sicherheit, Lebensdauer, Energiedichte und innerem Aufbau (CT-Röntgenscan und Post-mortem-Analysen)

Die Thematik des Vorhabens ist von höchster industrieller Relevanz, da bis jetzt die meisten Hersteller von Batteriesystemen für den automobilen Einsatz gewickelte Zellen einsetzen und sich zunehmend herausstellt, dass diese Produkte den steigenden Anforderungen der Automobilhersteller nicht mehr bzw. noch nicht genügen. Zudem sind weitere Reduzierungen der Kosten und eine weitere Skalierung der Technik notwendig.

Die gute Einbindung der Antragsteller in verschiedene industrielle sowie Forschungs- und Entwicklungsnetzwerke für Energiespeicher gewährleistet von Beginn an den engen Dialog mit Zellherstellern und führenden Industrieanwendern. So können neue Anforderungsprofile der Anwender in Hinblick auf Systemauslegung, Zelldesign und geforderter Performance (Energie- vs. Leistungsdichte, Temperaturstabilität, Sicherheitsverhalten usw.) ebenso wie die Entwicklung neuer Materialkombinationen und deren Auswirkungen auf die Fertigungsprozesse direkt verfolgt und in die Entwicklung der Produktionsprozesse einfließen.

Die Entwicklung und Qualifizierung neuer Produktions- und Prozesstechnologien für bestehende Lithium-Ionen-Zellen sowie für Zellen mit neuartigen Elektrodenmaterialien ist eine entscheidende Stellschraube für die zukünftige Marktführerschaft im Bereich der Elektromobilität, aber auch für die stationäre Zwischenspeicherung. Bestehende Technologien müssen verbessert werden, um eine wettbewerbsfähige, automatisierte Serienproduktion von großformatigen Lithium-Ionen-Zellen am Standort Deutschland aufbauen zu können. Eine hoch automatisierte Produktion mit hoher gleichbleibender Qualität, sehr geringen Toleranzen und hoher Ressourceneffizienz ist die zwingende Vorrausetzung für die Verfügbarkeit von Lithium-Ionen-Batterien zu angemessenen Preisen für Elektrofahrzeuge und stationäre Energiespeicher.

Die Pilotfertigung des ZSW bietet der Industrie eine einmalige Forschungsplattform zur Entwicklung eigener Herstellprozesse. Das neue STACK-Projekt ermöglicht Unternehmen, künftig auch die Stapeltechnik in ihr Portfolio zu nehmen und damit einen weiteren Schritt in Richtung kostengünstige Massenfertigung großformatiger Lithium-Ionen-Zellen zu leisten.