Beschleunigung der Elektrolytaufnahme durch optimierte Befüllungs- und Wettingprozesse

Aus wissenschaftlicher Sicht lässt sich die Zielstellung der Arbeiten im Projekt Cell-Fi unter dem Ausdruck „Aufbau von Prozessverständnis im Bereich Befüllung und Wetting“ subsummieren. Das Wissen über die Vorgänge, Effekte und Prozessphänomene soll nachhaltig verbessert werden. Nur so ist es möglich, die Prozessdurchführung (Prozess), die Produkteigenschaften (Struktur) und die Tränkung des Zellstapels mit daraus resultierenden Zellparametern (Eigenschaft) miteinander zu verknüpfen. Das Projekt bedient also direkt das Ziel des übergeordneten Produktionsclusters hinsichtlich des Aufbaus von Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in der Zellproduktion.

Für den Beitrag des iwb zum Projekt Cell-Fi lassen sich aus dieser übergeordneten Zielstellung folgende wissenschaftliche Teilziele ableiten:

Die Prozessphänomene in Abhängigkeit der Produktmerkmale und Prozessdurchführung sollen umfassend betrachtet werden. Dies erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem IWF der TU Braunschweig und dem Meet der Universität Münster. Im Sinne eines erklärenden Modellierungsansatzes soll das erarbeitete Prozesswissen in Form von Ursache-Wirkungszusammenhängen methodisch in generalisierbarer Form dargestellt werden. Ergänzend wird in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ITWM ein numerisches, parametrierbares Simulationsmodell der Befüllung aufgebaut, um die Prozessauslegung und -optimierung zukünftig mit geringerem experimentellen Aufwand durchführen zu können.

Die technischen Arbeitsziele lassen sich unter dem Oberbegriff der Taktzeitverkürzung zusammenfassen. Die Befüllung einer Zelle und das anschließende Wetting gelten als Engpass der Zellproduktion. Um die Wirtschaftlichkeit der Zellfertigung zu verbessern, muss die Durchlaufzeit dieses Prozesskettenabschnittes bei gleichbleibender Funktion und Qualität reduziert werden. Der größte zeitliche Stellhebel liegt hierbei in der Reduktion der Wettingzeit. Das iwb verfolgt daher das Ziel, die Zeit bis zur vollständigen Benetzung der Zelle um 50 Prozent zu reduzieren.

Mit der Erarbeitung einer Prozessauslegungsmethodik und der Ableitung von Richtlinien für ein befüllungsgerechtes Zelldesign liegt ein weiteres technisches Teilziel des Projektes vor. Durch die methodische Erarbeitung und Darstellung des Prozesswissens trägt das iwb hierzu einen elementaren Beitrag bei.

Im Rahmen des ersten Arbeitsschwerpunktes „Ermittlung prozessbestimmender Eigenschaften“ werden die Edukteigenschaften, welche Einfluss auf den Prozess haben, der für jeden Projektpartner festgelegten Einzelkomponenten (iwb: Anode und Kathode) untersucht. Dafür sollen für die einzelnen Bestandteile zunächst relevante Parameter (Druck, Temperatur, Kalandriergrad etc.) mit Einfluss auf die Wettingzeit identifiziert und untersucht werden. Eingesetzte Methoden sind unter anderem der Capillary-rise-Test. Das iwb verfügt über Versuchsstände mit Sichtfenster, die eine Beobachtung der Benetzungsfront bei verschiedenen Druck- und Temperaturprofilen zulassen. Es sollen grundlegende Erkenntnisse über das Benetzungsverhalten der Elektroden und deren Einflussgrößen untersucht werden, um diese anschließend mit den Eigenschaften des Gesamtsystems zu korrelieren.

Der zweite Arbeitsschwerpunkt „Prozessverständnis Elektrolytbefüllung und Wetting“ fokussiert auf die methodische Generierung von Prozesswissen. An den hochflexiblen Anlagen des iwb lassen sich Pouch-, Knopf-und Hardcase-Zellen verschiedener Formate fertigen. An letzterer Bauart werden die Prozessphänomene im Zusammenhang dieses Projektes erarbeitet. Die Prozesszeiten von Befüllung und Wetting sollen gegenüber dem definierten Referenzprozess um 50 Prozent reduziert werden. Ziel der Befüllung ist es, die Elektrolytflüssigkeit so im Zellgehäuse zu verteilen, dass eine kurze Wettingzeit ermöglicht wird. Diese wird durch Lagerung bei erhöhten Temperaturen und in Über- und Unterdruckregimen beeinflusst. Den Einsatz der Verfahren gilt es, wirtschaftlich und technologisch zu bewerten. Ein weiteres zentrales Ziel neben dem zeitabhängigen Benetzungsgrad ist die zellspezifische Ermittlung einer optimalen Elektrolytmenge, welche in engem Zusammenhang mit höchstmöglicher Dosiergenauigkeit steht.

Das iwb kann im Rahmen der ersten beiden Schwerpunkte auf umfangreiche Expertise aus vorrangegangenen Projekten, die es nun auszubauen gilt, zurückgreifen.

Der dritte Arbeitsschwerpunkt bildet die Erstellung eines prädiktiven, physikalischen Simulationsmodells des Befüllungsprozesses. Dies erfolgt auf zwei Skalen: der makroskopischen Zellskala und der mikroskopischen Skala der Elektrodenstrukturen. Unter Berücksichtigung der Elektrolyteigenschaften können basierend auf den Mikrostrukturen der Elektroden und des Separators Effektivwerte beispielsweise für die Kapillardruckkurve und Strömungswiderstände in Abhängigkeit der Benetzungseigenschaften bestimmt werden. Diese Effektivgrößen werden für Rechnungen auf der Zellskala benötigt, womit Aussagen über den zeitlichen Verlauf der Befüllung, sowie die Sättigungsverteilung getroffen werden können. Der dritte Schwerpunkt wird in Kooperation mit dem Projektpartner ITWM bearbeitet.

Schließlich unterstützen die Mitarbeiter des iwb aufgrund ihres breiten Erfahrungsschatzes die anderen Projektpartner bei Ursache-Wirkungszusammenhängen sowie Fragestellungen zu Prozessführungen und Produktmerkmalen bei Regelableitung, Erstellung eines Entscheidungstools und der Ergebnisbewertung.

Die Projektergebnisse sollen eine nationale Zellfertigung unterstützen. Das Projektkonsortium sieht sich daher als Multiplikator mit dem Ziel, den gesellschaftlich gewollten Ausbau der Elektromobilität und der Speicherung erneuerbarer Energien zu fördern. Die Projektergebnisse lassen sich vor diesem Hintergrund in vielfältiger Weise verwerten.

Während der Projektlaufzeit sind keine wirtschaftlichen Verwertungsmöglichkeiten zu erwarten. Zwar beabsichtigt die TUM die Anmeldung von Patenten aus dem Projekt, die Verwertung dieser beginnt in der Regel jedoch erst nach Ende der Projektlaufzeit. Da das Themengebiet der Befüllung noch durch wenig proprietäres Wissen geschützt ist und insbesondere patentierbare Produktmerkmale zur besseren Elektrolytaufnahme im Projekt erarbeitet werden sollen, ist die Wahrscheinlichkeit von Schutzrechtsanmeldungen als hoch zu bewerten.

Im Zeitraum von bis zu zwei Jahre nach Projektende sollen mögliche Erfindungen (Schutzrechte) im Einklang mit dem Konsortialvertrag entweder durch Lizensierung oder Verkauf wirtschaftlich verwertet werden. Das im Projekt erarbeitete Prozesswissen wird am iwb zur Verbesserung der Zellqualität und Reduzierung der Fertigungskosten genutzt. Darüber hinaus kommt das neu gewonnene Prozesswissen auch weiteren Forschungsprojekten zu Gute.

Die TUM fördert und unterstützt ihre Mitarbeiter bei Gründungsvorhaben. Mitunter können Ergebnisse dieses Vorhabens die Basis für eine Unternehmensgründung sein und somit weiter wirtschaftlich verwertet werden. Dies stellt eine langfristige Möglichkeit (über zwei Jahre hinaus) zur wirtschaftlichen Verwertung der positiven Projektergebnisse dar.

Da der Prozess der Befüllung bisher wissenschaftlich kaum durchdrungen wurde, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, relevante wissenschaftliche (hochrangige Veröffentlichungen) und technische Projekterfolge (Anmeldung von Schutzrechten) zu erzielen. Durch die enge Vernetzung mit weiteren Kompetenzträgern der nationalen Batterieforschung in einem rein wissenschaftlichen Konsortium besteht die einmalige Möglichkeit, Kompetenzen zu bündeln und fokussiert an Prozessoptimierungen zu arbeiten. Ein wichtiger Aspekt der wissenschaftlichen und technischen Erfolgsaussichten ist die geplante Erweiterung der Produktionslinie am iwb um innovative Befüll- und Wettingverfahren, welche die Verbesserung der Zellqualität und die Reduktion der Fertigungskosten ermöglichen. Dies kommt allen Projekten der TUM im Batteriebereich zu Gute.

Fachkräfte im Bereich der Batterietechnik werden seitens der Industrie dringend benötigt. Somit definiert sich der Projekterfolg auch über die Ausbildung dieser Fachkräfte.

Bereits während der Projektlaufzeit fließen die Projektergebnisse in die Lehrveranstaltungen der TUM ein und unterstützen somit die Qualifizierung von Ingenieurinnen und Ingenieuren im Bereich der Batterietechnik. Darüber hinaus wird die Ausbildung von Fachkräften der Batterietechnik durch die Anstellung von Studierenden als wissenschaftliche Hilfskräfte und über Studienarbeiten gefördert.

Neben der Ausbildung von Fachkräften stellt das iwb ein Zentrum für Expertise in der Batterieproduktion, auf welches die Industrie durch bilaterale Projekte zugreifen kann.

Im Zeitraum von bis zu zwei Jahre nach Projektende schließen die am Projekt beteiligten wissenschaftlichen Mitarbeiter ihre Promotionsverfahren ab. Die von ihnen erarbeiteten Ergebnisse werden zuvor auf nationaler und internationaler Ebene (Kongresse, Messen, Zeitschriften) einem breiten Fachpublikum vorgestellt und stärken somit das Renommee der deutschen Batterieforschung.

Im Anschluss an Cell-Fi sollen Projekte durchgeführt werden, um die entwickelten Befüllungs- und Wettingverfahren in den industriellen Einsatz zu überführen. Dies soll bevorzugt in einer bis zum Jahre 2020 etablierten nationalen Zellfertigung geschehen.