Innovative Produktionstechnologien für die Herstellung demontagegerechter Lithium-Ionen-Batteriespeicher

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Konzeption und der Demonstrator-Aufbau eines neuartigen Batteriemoduls auf der Basis von prismatischen Lithium-Ionen-Zellen. Dieses Modul soll den Montageprozess, verglichen mit aktuellen Lösungen, vereinfachen und gleichzeitig erlauben, es automatisiert zu demontieren. Dadurch soll es möglich werden, zukünftig große Einsparungen im Lebenszyklus eines Batteriesystems zu erzielen, die letztlich an den Endanwender weitergegeben werden können und dadurch einen Beitrag zur Etablierung elektrischer Mobilität leisten. Zudem sollen innovative Produktions- und Prozessverfahren zur Modulherstellung erforscht werden.

ElringKlinger widmet sich dabei der Konzeption und dem prototypischen Aufbau des neuartigen Batteriemoduls sowie der Erforschung von innovativen Produktions- und Prozessverfahren zur Modulherstellung. Dabei sollen einerseits alternative und flexible Fügeverfahren zur elektrischen Kontaktierung prismatischer Zellen und zur Modulmontage entwickelt und betrachtet werden, mit denen sich zum einen niedrige Widerstandswerte erzeugen lassen und die sich auf der anderen Seite in einem automatisierten Demontageprozess wieder lösen lassen. Um gleichzeitig die nötige Prozesssicherheit bei der Herstellung der elektrischen Kontakte zu gewährleisten, soll diese Demonstrator-Montageeinrichtung durch eine prototypische In-line-Qualitätskontrolle ergänzt werden. Abschließend wird ein neuartiges demontagefähiges Batteriemodul entwickelt, konzeptioniert und als prototypischer Aufbau mittels eines Moduldemonstrators demonstriert.

Es sollen alternative Verfahren und Fertigungsprozesse zur elektrischen Kontaktierung von prismatischen Zellen entwickelt und validiert werden, die eine effizientere, flexiblere und zuverlässigere Fügetechnologie darstellen und mit denen eine unkomplizierte Demontage der Zellen im Bedarfsfall möglich ist.

Zudem sollen alternative Füge- und Fertigungsverfahren in Bezug auf eine modulare und flexible Modulmontage untersucht werden, die es erlauben auch unterschiedliche Batteriezelltypen wie Prismatische- und Rundzellen auf einer Montagelinie zu einem Batteriemodul zu verbinden. Dabei werden von Seiten ElringKlinger alternative und innovative Füge-, Montage- und Produktionsprozesse untersucht, die eine flexible und effiziente Montage der unterschiedlichen und spezifischen Einzelkomponenten von Batteriemodulen wirtschaftlich darstellen lässt.

Durch diese alternativen und innovativen Herstellungsprozesse ist erst eine wirtschaftliche und automatisierte Demontage des gesamten Batteriemoduls möglich. Neben der fachgerechten Entsorgung und dem materialspezifischen Recycling des Batteriemoduls am Ende seines Lebenszyklus entsteht durch diese Maßnahmen die Möglichkeit für einen Anwender, einzelne Zellen im Schadensfall auszutauschen und damit die Lebenserwartung des Speichers zu verlängern, was zu längeren Abschreibungszeiten und damit zu niedrigeren Kosten für die Lithium-Ionen-Technologie führt.

Besonderes Augenmerk wird bei der In-line-Qualitätskontrolle auf der elektrischen Leitfähigkeit der Verbindung stehen. Im Mittelpunkt stehen Konzeptionen einer In-line-Qualitätskontrolle der Fügestelle, die im Rahmen der Projektbearbeitung prototypisch aufgebaut und erprobt werden soll. Eine Besonderheit soll die Rückspiegelung der Messwerte an den Fügeprozess darstellen, wodurch die Prozessparameter des Fügeprozesses angepasst werden können. Durch diesen Industrie-4.0-Ansatz wird in einem Fertigungsprozess auf lange Sicht durch andauernde, intelligente Selbstkonfiguration der Prozessparameter ein Wegdriften der Prozessqualität vermieden und ein immer gleich bleibendes Produkt garantiert.

Auf der Basis eines bestehenden Batteriemoduls nach Stand der Technik sollen Änderungskonzepte erstellt werden. Dabei sollen die erarbeiteten Ergebnisse aus anderen Arbeitspaketen berücksichtigt werden. Nach der Auswahl eines Änderungskonzepts folgt die Anfertigung eines CAD-Konzeptes für ein neuartiges demontagegerechtes Batteriemodul und letztendlich die Fertigung eines Prototypen, der als Technologie-Demonstrator für die erarbeiteten Ergebnisse im Projekt dient. Durch das Gesamtkonzept des Batteriemoduls soll eine automatisierte Demontage möglich sein.

Mit dieser Zielsetzung erfüllt das Vorhaben die Bestrebungen der Bundesregierung, mit dieser Fördermaßnahme die Elektromobilität in Deutschland zu etablieren und deutsche Hersteller zu Leitanbietern für Produkte rund um die Elektromobilität zu machen. Dies kann vor allem durch eine Weiterentwicklung der eingesetzten Produktionstechnik erreicht werden. Insbesondere die Automatisierung von Montage- und Demontageabläufen gilt im Hochlohnland Deutschland als Schlüssel zum Erfolg. Laut Nationaler Plattform Elektromobilität (NPE) liegt es im Interesse des Wirtschaftsstandortes Deutschland, dass die Produktion von Zellen der nächsten Generation hierzulande erfolgt. Demnach sind die Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen von Batteriezellen und -systemen sowie die Optimierung der zugehörigen Produktionsprozesse weiter zu forcieren (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit, 2014).