Beschleunigung der Elektrolytaufnahme durch optimierte Befüllungs- und Wettingprozesse

Die Befüllung einer Lithium-Ionen-Batterie (LIB) mit Elektrolytflüssigkeit und das anschließende Wetting stellen die Schnittstelle zwischen Zellmontage und Formierung dar. Trotz des hohen Potenzials für Durchsatzerhöhung und Kostensenkung sowie eines wissenschaftlich unklaren Einflusses auf Qualitätsmerkmale der Lithium-Ionen-Batterie wurde der Untersuchung der Elektrolytbefüllung bisher kaum wissenschaftliche Aufmerksamkeit zuteil.

Die Benetzbarkeit als Materialeigenschaft wurde in diversen Publikationen untersucht, jedoch sind diese in der Regel entkoppelt vom Produktionssystem und den Verarbeitungsmechanismen betrachtet worden. Die ganzheitliche Betrachtung der Materialsysteme in Kombination mit den dazugehörigen Produktionsprozessen ist dabei unumgänglich, um die angesprochenen Potenziale hinsichtlich Produktivität und Kostensenkung heben zu können. Seitens der Produktion existieren vielfältige Best-Practice-Lösungen für Befüllung und Wetting, doch welche Vorgänge in der LIB ausschlaggebend sind und wie sie beschleunigt werden können, ist weitestgehend noch nicht durchdrungen. Hinsichtlich einer nationalen Zellfertigung ist dieses methodisch aufbereitete Prozesswissen in Kombination mit dem Materialverhalten der Zellkomponenten die Voraussetzung für eine Kostenreduktion und produktivere, stabilere Prozesse.

Ziel des Teilvorhabens ist es, Separatoren vor dem Hintergrund des Wettings zu untersuchen und ein Entscheidungstool zu entwerfen, das dem Anwender die Auswahl eines geeigneten Separators ermöglicht. Auf dieser Basis befasst sich das vorliegende Vorhaben mit dem systematischen Vergleich der Eigenschaften verschiedener kommerzialisierter Separatoren und deren Einfluss auf die verschiedenen Prozessschritte in der Zellproduktion sowie der Kompatibilität mit der NCM-622/SiC-Zellchemie. Zur Erstellung einer Datenbasis für den Vergleich der unterschiedlichen Separatoren werden standardmäßig die mechanischen und physikalischen Parameter der Separatoren mit Fokus auf die Elektrolytbefüllung bestimmt. Weiterhin werden die Prozessierbarkeit im Z-Foldingverfahren und die Auswirkungen der verschiedenen Separatoren auf die Zellsicherheit am Chair of Production Engineering for E-Mobility Components untersucht. Darüber hinaus werden die Lebenszykluskosten von Separatoren betrachtet.

Entsprechend der definierten Messmethodik werden im Teilvorhaben die verarbeitungsrelevanten Separatoreigenschaften ermittelt. Es werden die hinsichtlich der Stapelbildung wesentlichen Verarbeitungseigenschaften der Separatoren ermittelt. Ziel ist die Analyse der Verarbeitungsfähigkeit und des Verhaltens (z. B. elektrostatische Aufladung) des Separators. Hierzu werden die Wicklung und das Z-Folding mit unterschiedlichen Fertigungsparametervariationen (z. B. Zugspannung, Wickelgeschwindigkeit oder Stapelgeschwindigkeit) durchgeführt. Im Fokus stehen die Separatoreigenschaften (z. B. Zugfestigkeit, Permeabilität, Elastizitätsmodul, Dehngrenze) hinsichtlich der Handhabbarkeit im Wickel-, Stapelprozess und deren Auswirkung auf den Elektrolytbefüllungsprozess. Das MEET führt dabei das Benchmarking an 18650er Zellen und das PEM an Pouchbagzellen durch.

Anschließend werden die Separatoren verglichen, um das jeweils beste Material als Referenz für das Wetting zu identifizieren und dabei Struktur-/Material-Eigenschaftskorrelationen systematisch zu finden und zu verifizieren. Das PEM fokussiert in diesem Arbeitspaket die Untersuchung der Separatoren in Pouchbag-Zellen. Anschließend werden die Erkenntnisse in ein Entscheidungstool überführt. Auf Basis der aufbereiteten Erkenntnisse soll damit eine Entscheidungshilfe für Anwender generiert werden. Der Aufbau des Tools wird modular gestaltet. Das Framework des Tools sowie das Separator-Modul wird vom PEM erarbeitet. Das Separator-Modul soll dem Anwender eine anwendungsspezifische und kostengerechte Auswahl von Separatoren ermöglichen sowie die hieraus resultierenden Prozessanforderungen aufführen. Hierzu soll eine aktuelle Marktübersicht inklusive der ermittelten Kennwerte und Marktpreise erstellt werden. Abschließend sollen beispielhafte Nutzwertanalysen für Referenzanwendungsfälle generiert werden.

Während der Antragskonzeptionsphase wurde frühzeitig auf die technische Umsetzbarkeit und die wissenschaftlichen Erfolgsaussichten des Teilvorhabens geachtet. Es ist daher davon auszugehen, dass eine hohe Umsetzbarkeit der angestrebten Ziele erreicht wird. Über die Kooperation der beiden Forschungseinrichtungen in den einzelnen Arbeitspaketen werden die komplementären Fähigkeiten der beiden Institute genutzt. Auf der einen Seite zeichnet sich das MEET durch sein umfassendes Know-how im Bereich der elektrochemischen Charakterisierung und der Fertigung von 18650-Rundzellen aus, wohingegen das PEM auf der anderen Seite die Expertise im Bereich der Sicherheit, Lebenszykluskosten und Fertigung von Pouchbag-Zellen bereitstellt. Hierdurch ist es möglich, ein Benchmarking von verschiedenen Separatoren für den Wettingprozess durchzuführen und eine Entscheidungsgrundlage für spätere Anwender zu generieren.