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

Für den Einsatz im Elektro-Fahrzeug müssen großformatige Lithium-Ionen-Zellen sehr hohen Sicherheits- und Qualitätsstandards Genüge leisten. Wie zahlreiche, neue Ergebnisse aus Stress- und Langzeittests zeigen, weisen gealterte Zellen deutliche Qualitätsunterschiede auf, je nachdem, ob sie mittels Wickeln oder mittels Stapeln der Elektroden und Separatoren hergestellt wurden. Bei genauer Analyse gewickelter Zellen kann eindeutig der Radiusbereich der gewickelten Zellen als Schwachstelle identifiziert werden. Lithium-Plating und eine verminderte Zyklenzahl sind die Folgen. Gründe hierfür sind Unterschiede im Anpressdruck und mechanische Spannungen innerhalb des Wickels, speziell im Radiusbereich, welche zu Rissen und Abplatzungen der Elektroden-Beschichtungen führen.

Stapelzellen weisen durch ihren homogenen Aufbau die genannten Nachteile nicht auf. Daneben weisen gestapelte Zellen durch die bessere Raumausnutzung eine um 2 bis 5 Prozent höhere Zellkapazität auf, wobei bei gleichen Elektrodenmaterialien auch die Langzeitstabilität (Zyklenzahl) der gestapelten Zellen deutlich höher ausfällt. Ein großer Nachteil des Einzelblatt-Stapelverfahrens ist jedoch der geringere Durchsatz bei den derzeit verfügbaren Anlagen für die Massenfertigung. Der Durchsatz beim Stapeln ist sehr viel niedriger als beim Wickeln und die Anlagen haben eine höhere Komplexität bei vergleichbarer Genauigkeit. Die Erhöhung der Stapelgeschwindigkeit ist also entscheidend, um eine Wirtschaftlichkeit ähnlich zu Wickelzellen zu erzielen.

Bei der Erhöhung der Stapelgeschwindigkeit spielt der Separator eine entscheidende Rolle, z. B. indem mehrere Einzellagen durch ihn in Vorprozessen vereinigt werden. Eine Laminierung bietet diese Möglichkeit, allerdings verringert dieser Prozess die Porosität des Separators, was zu einer verminderten Ionenbeweglichkeit und damit geringerer Leistungsdichte führt. Grundlegende Forschungsarbeit in Zusammenarbeit mit Anlagen- und Zellherstellern zur Funktionalisierung des Separators ist deshalb notwendig und soll innerhalb dieses Projektes durchgeführt werden.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkt des Teilprojekts Separators innerhalb des STACK-Verbundprojektes ist die Entwicklung eines Separators, der auf den Schnellstapelprozess, der vom Projektpartner Manz entwickelt wird, optimiert ist. Aus Verarbeitungssicht der Zellfertigung muss hierfür eine Haftfunktion mit den jeweiligen Elektroden erreicht werden. Darüber hinaus müssen die automobilgerechten technischen Anwendungsanforderungen an Performance, Gleichmäßigkeit und Fehlerfreiheit der Materialien erreicht werden. Diese können nur erzielt werden, wenn die Separatoren sich beim Schnellstapelprozess nicht statisch aufladen und faltenfrei und ohne zu Kleben gelegt werden können.

Dazu sollen innerhalb des Projektes mehrere Herstellungsrouten erarbeitet werden, welche die Haftfähigkeit entweder innerhalb des bisherigen Separatorherstellungsprozesses erreichen oder durch neue, neu in die Prozesskette zu integrierende Prozesse ermöglichen.

Dies geschieht in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern vom ZSW und Manz, um die dortigen Erfahrungen direkt in den Entwicklungsprozess einfließen zu lassen.

Freudenberg Performance Materials SE & Co. KG hat in den vergangenen Jahren ihre Safety Separator Technologie in einem hochkompetitiven Wettbewerbsumfeld kommerzialisiert. Nun gilt es, die Sicherheits- und Lebensdauervorteile auch in die innovative und richtungsweisende Stapeltechnologie zu überführen.

Die bisherige Erfahrung von Freudenberg Performance Materials SE & Co. KG zeigt, dass neben der verbesserten Zellperformance Eigenschaften der Zellen durch die Safety Separator Technologie auch detaillierte Abstimmungsarbeit im Hinblick auf die Fertigungsprozesse der Zellproduktion anfällt. Dies bezieht sich auf die Trocknung, Zellstapelassemblierung, Imprägnierung sowie dem sogenannten High-Pot-Test. Wir erwarten aus der engen und offenen Zusammenarbeit der Partner wichtige Hinweise, um die Nutzung unserer Separatoren in Stapelprozessen insbesondere mit Anlagen der Manz AG in der notwendigen Tiefe zu verstehen und in der Folge kommerziell zu verwerten.