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

Das Teilvorhaben des Gesamtvorhabens OptiZellForm hat als übergeordnetes Ziel, Einflussgrößen in der Formierung und Reifung zu untersuchen. Dabei liegt der Fokus vor allem auf den Auswirkungen von äußeren Umgebungsbedingungen wie räumlicher Orientierung oder mechanischer Beanspruchung auf die Qualität der Zellen und dem Einsparpotenzial in den Prozesskosten. Darüber hinaus werden Energieverlustursachen beim wiederholten Laden und Entladen identifiziert.

Die systematischen Untersuchungen haben zum Ziel, ein tiefgreifendes Prozessverständnis zu gewinnen und Ursache-Wirkzusammenhänge zu verstehen. Dadurch lassen sich technische, produktionsbezogene und wirtschaftliche Eigenschaften besser vorhersagen. Eine Optimierung der Formierung im Hinblick auf die Prozessführung werden Energiedichten noch besser ausgenutzt. Gleichzeitig wird durch eine optimierte Formierungsstrategie auch eine Erhöhung von Durchsatzzeiten angestrebt, wodurch Investitionskosten reduziert werden. Außerdem können durch die genauen Kenntnisse der Wirkzusammenhänge Qualitätsschwankungen minimiert werden.

Insgesamt wird im Vorhaben die Entwicklung einer innovativen Prozessführung beim Formierungsprozess angestrebt, so dass zum einen die Prozess-Eigenschaft-Funktion und zum anderen die Prozess-Kosten-Funktion erheblich verbessert werden.

Zur Gewinnung eines tiefgreifenden Verständnisses über die Wirkzusammenhänge zwischen mechanischer Belastung, Temperatur und Spannung auf die Formierungs- und Reifungsprozesse wird im Rahmen des Projekts eine spezielle Vorrichtung entwickelt und konstruiert. Diese elektronisch steuerbare und an die Zellgeometrie des Projektpartners MEET angepasste Pressvorrichtung verfügt über Kraftsensoren und einen Stellantrieb, um gezielte Drücke auf die Zelle aufbringen bzw. messen zu können. Messwegsensoren erfassen die volumetrische Ausdehnung der Zelle während der Formierung und können dazu genutzt werden, um über eine spezielle Steuerungslösung mechanische Belastungen auch dynamisch mit dem Ladeprofil zu synchronisieren. Die Pressvorrichtung wird in einer Klimakammer positioniert, um verschiedene Temperaturen und Temperaturprofile untersuchen zu können. Die Vorrichtung verfügt über eine große Anzahl von thermischen Sensoren, um die Temperatur der Zelle über die gesamte Fläche messen und aufzeichnen zu können. Die lokale Selbsterwärmung der Zelle wird Aufschlüsse über Energieverlustursachen während der Formierung geben. Zusätzlich werden Maßnahmen hinsichtlich der Verlustleistungen an Kontaktstellen zur Zelle untersucht.

Im Projektfortschritt werden die einzelnen Parameter systematisch variiert und optimale Einstellungen identifiziert. Im späteren Projektverlauf werden als optimal bewertete Temperaturen mit optimalen Pressdrücken kombiniert, um das Einflusspotenzial äußerer Umgebungsbedingungen auszuschöpfen.

Die erzielten Ergebnisse dieses Teilvorhabens werden mit den Erkenntnissen hinsichtlich der optimalen Ladeprozedur und dem Zusatz von Additiven kombiniert. Es wird erwartet, dass durch die Wahl einer verkürzten Formierungsprozedur, dem Zusatz von SEI-bildenden Additiven, dem Einsatz von verbesserten Kontaktstiften und der Anwendung von optimierten Umgebungsbedingungen Qualitätssteigerungen bei kürzeren Prozesszeiten möglich sind. Die Validierung erfolgt an einer dafür speziell eingerichteten Formierungsanlage.