Beschleunigung der Elektrolytaufnahme durch optimierte Befüllungs- und Wettingprozesse

Ziel des Gesamtvorhabens „Cell-Fi“ ist die Verkürzung der Befüll- und Wettingzeit ohne Verlust von Zellperformance. Aus dieser übergeordneten Zielsetzung leitet sich die Zielsetzung dieses Teilvorhabens ab, nämlich die Verkürzung der Befüll- und Wettingzeit mit prozessorientierten und produktionstechnischen Ansätzen.

Die Herausforderung liegt in der experimentellen Ermittlung der prozessorientierten und produktionstechnischen Einflussfaktoren, welche die Befüllung und das Wetting nichtlinear und verkoppelt beeinflussen. Hierzu wird in diesem Teilvorhaben das Prozessverständnis methodisch und experimentell erweitert, um daraus prozessorientierte und produktionsorientierte Maßnahmen zur angestrebten Zeitverkürzung abzuleiten. Diese Zielsetzung wird in enger Abstimmung und Harmonisierung mit dem Gesamtvorhaben und mit anderen Projekten des ProZell Clusters verfolgt. Grundlage hierfür ist die bereits abgestimmte Verwendung von Pouchzellen als Experimentalbasis, um beispielsweise die wechselseitigen Abhängigkeiten zum Zelldesign zu ermitteln.

Der erste Abschnitt des Gesamtprojektes beinhaltet die Ermittlung verarbeitungsrelevanter Eigenschaften der Grundkomponenten. Im Rahmen dieses Teilvorhabens wird hierfür das Benetzungsverhalten des Elektrolyten auf den Elektroden untersucht. Dafür wird die Signifikanz von Prozessparametern (z. B. Druck, Temperatur) für das Benetzungsverhalten aufgeklärt und quantifiziert. Die Untersuchung der Benetzungsfläche bei unterschiedlichen Druckprofilen und Temperaturen erfolgt in einer zur Verfügung stehenden Vakuumkammer mittels optischer Messverfahren. Der Arbeitsplan beinhaltet die Untersuchung der Benetzung der Elektroden mit Elektrolyt bei unterschiedlichen Konzentrationen. Zusätzlich wird der Kapillarsog der Elektroden mittels Capillary-rise-Test zur Untersuchung des Benetzungsverhaltens angewendet. Die Ergebnisse hieraus werden anschließend mit den Eigenschaften des Gesamtsystems korreliert, um übergeordnet Zusammenhänge herzustellen.

In dem zweiten für dieses Teilvorhaben relevanten Abschnitt steht die Untersuchung prozess- und produktionsorientierter Einflüsse im Vordergrund. Bei der Betrachtung des eigentlichen Befüllprozesses wird der Einfluss von Prozessparametern, z. B. in der Anzahl der Druckprofile, Anzahl der Befüllschritte, Elektrolytmenge, auf die Wettingzeit experimentell untersucht und quantifiziert. Dies wird verwendet, um aus produktionstechnischer Sicht ein Werkzeug zur mechanischen Stimulation der befüllten und verschlossenen Zelle zu entwickeln. Dieses Werkzeug und der Prozess werden experimentell charakterisiert und geeignete Prozessparameter werden ermittelt.

Die methodischen und experimentellen Ergebnisse werden gemeinsam mit Ergebnissen anderer Teilvorhaben und Clusterprojekte in einem Regelwerk für ein befüllungsgerechtes Design zusammengeführt. Dies ist als Beitrag für die industrielle Verwertbarkeit zu verstehen, der als Entscheidungsbasis dient.

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. Die Befüllung ist hierbei aufgrund der langen Lagerzeit ein hoher Kapitalbindungsfaktor.

Insgesamt soll das Vorhaben dazu beitragen, die Rolle Deutschlands auf dem Forschungsgebiet der Batteriezellproduktion zu stärken und hier eine führende Rolle einzunehmen. Die in Cell-Fi untersuchten Fertigungsprozesse stellen entscheidende Schritte in Richtung konkurrenzfähiger Energiespeicher dar.