Beschleunigung und energetische Optimierung der Zellformierung in der Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien mittels Untersuchungen zu Prozess-Eigenschaft-Beziehungen

Vor dem Hintergrund der steigenden Relevanz von elektrischen Speichertechnologien für mobile (z. B. Elektro- und Hybridfahrzeuge) und stationäre (z. B. Integration von erneuerbaren Energien im Rahmen von Smart Grids) Anwendungen kommt der wirtschaftlichen Herstellung von geeigneten Batterien in hoher Stückzahl eine wesentliche Bedeutung zu. So spielt bei der Fertigung von Elektrofahrzeugen die Batteriezellherstellung sowohl aus Kosten- als auch aus Umweltsicht eine zentrale Rolle.

Im Rahmen des Projektes soll Kenntnis über die Wirkzusammenhänge der Produktion von Lithium-Ionen-Batteriezellen, im speziellen des Produktionsprozessschritts Formierung, erlangt werden. Hierdurch soll eine systematische Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit der Batterieproduktion erlangt werden. Gerade die Formierung ist ein zeit- und kostenintensiver Prozessschritt, dessen genaue Einflussgrößen und Wirkzusammenhänge zu späteren Zelleigenschaften bislang weitestgehend unerforscht sind.

Zu den wissenschaftlichen Arbeitszielen dieses Teilvorhabens gehört im Wesentlichen das Verständnis der Prozess-Wirkzusammenhänge von Formierstrategien auf die Performance einer Batteriezelle zu entwickeln und die Kenntnisse in ein Vorhersagemodell zu überführen. Durch das tiefgehende Verständnis können charakteristische Eigenschaften einer Zelle durch die Formierung wie die Schnellladefähigkeit, Zyklenstabilität oder Wirkungsgrad von Lade- zu Entladeenergie bewusst beeinflusst werden.

Für die Optimierung einer ganzheitlichen Zellproduktion ergibt sich durch die Kenntnis der Prozess-Eigenschaft-Beziehung die Möglichkeit der Verkürzung des Formierungsprozesses und der Reifedauer, um damit Zellkosten zu reduzieren und den Durchsatz an produzierten Zellen zu erhöhen. Dazu wird die Formierungsprozedur hinsichtlich relevanter Einflussgrößen auf das Formierergebnis analysiert. Im Fokus stehen Prozessparameter wie Potentialgrenzen, Stromstärke, Temperatur, Druck, Zyklenzahl und Wartezeiten während der Formierung. Anhand exemplarischer Versuchsreihen werden die Parameter mit den größten Auswirkungen identifiziert und deren Effekte auf vorher festgelegte Kenngrößen der Zellen umfassend untersucht.

Positive Ergebnisse in diesem Teilvorhaben sind die erfolgreiche Entwicklung einer optimierten Formierstrategie hinsichtlich der Faktoren Zeit, Kosten und Qualität. Die Möglichkeit zur gezielten Einstellung der Zelleigenschaften trägt zu einer Erhöhung der Wirtschaftlichkeit in der Zellproduktion bei, da die Ausschussrate verringert und die Einhaltung von Qualitätskriterien erleichtert wird. Gelingt die Optimierung der Formierstrategie ebenfalls hinsichtlich einer Zeitreduktion wird sich dies deutlich auf den Durchsatz auswirken. Sowohl Verbesserungen in der Qualitätseinhaltung als auch Zeitersparnisse in der Produktion bergen ein großes Kostensenkungspotenzial.