Entwicklung, Integration und Validierung innovativer Prozesse und QS-Methoden in der Produktion großformatiger Lithium-Ionen-Zellen

Eine der größten Herausforderungen in der Batteriezellproduktion ist die Steigerung der Qualität bei gleichzeitiger Kostensenkung. Die Produktion von Batteriezellen stellt eine Abfolge komplexer Einzelprozesse dar, die sich in sehr unterschiedlicher Art und Weise auf die Gesamtqualität auswirken können. Insbesondere großformatige Lithium-Ionen-Zellen sind bei kleinsten Fehlern in der Herstellung sehr störanfällig. Über die genauen Auswirkungen der Einzelprozesse auf die Gesamtqualität wird häufig nur gemutmaßt, da oftmals Unwissenheit über die relevanten Prozessparameter und ihre Toleranzen herrscht oder bereits bekannte Einflussparameter nicht zuverlässig detektiert werden können.

Im Begleitvorhaben QS-Zell wird eine deutliche Verbesserung der Lithium-Ionen-Zellen im Hinblick auf Performance, Qualität und Produktionskosten angestrebt. Damit soll ein wichtiger Beitrag für den Aufbau einer wirtschaftlichen und nachhaltigen Batteriezellproduktion geleistet werden. Dies soll erreicht werden durch die Entwicklung von zeiteffizienteren, ressourcenschonenden Herstellverfahren und durch die Erarbeitung eines wirksamen, übergreifenden Qualitätssicherungskonzepts entlang der gesamten Wertschöpfungskette mit dem Ziel, Qualitätsschwankungen, Ausschussraten und Kosten in der Zellproduktion zu reduzieren.

In QS-Zell werden qualitätsrelevante Kernprozesse und QS-Methoden zum Kalandrieren, Nachtrocknen, Befüllen und Formieren am Beispiel von NMC-622-Kathoden und Graphit-Anoden erforscht und weiterentwickelt. Mit den verbesserten Prozessen werden optimierte PHEV1-Zellen an der Forschungsproduktionslinie (FPL) in Ulm hergestellt und der Entwicklungsfortschritt anhand von Leistungsdaten und Tests bewertet. Durch statistische Analysen werden relevante Einstellgrößen identifiziert, Prozessmodelle entwickelt und ein Qualitätssicherungskonzept aufgebaut. Ein wichtiger Aspekt dieses Projekts ist die Nutzung der FPL als Referenz- und Integrationsplattform, um die Projektergebnisse im Kompetenzcluster ProZell zusammenzuführen und am PHEV-1-Zellformat im industrienahen Maßstab als Gesamtpaket darzustellen. Alle Daten werden in der geplanten, zentralen Datenbank des Clusters zusammengeführt, um über Forschungsinstitute hinweg und zelltechnologieübergreifend für Auswertungen und weitere Forschungsarbeiten zu Prozess- und Qualitätsoptimierungen zur Verfügung zu stehen.

Gemeinsam mit der TU Dortmund werden Qualitätssicherungskonzepts entlang der gesamten Wertschöpfungskette in der Zellproduktion entwickelt, um die Qualitätsschwankungen und Ausschussraten zu reduzieren.

Mit diesem Projekt wird ein wichtiger Beitrag zur Senkung der Herstellkosten und zur Steigerung der Produktqualität einer großskaligen Batterieproduktion geleistet. Alle erarbeiteten Daten werden in der geplanten, zentralen Datenbank des Clusters zusammengeführt, um über Forschungsinstitute hinweg und zelltechnologieübergreifend für Auswertungen und weitere Forschungsarbeiten zu Prozess- und Qualitätsoptimierungen zur Verfügung zu stehen.