Effiziente Formierungsstrategien zur Erhöhung der Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Sicherheit sowie der Kostensenkung in der Produktion von Lithium-Ionen-Zellen/Batterien

Wie in der Gesamtvorhabensbeschreibung dargelegt, ist das Ziel des EffiForm-Projektes die Entwicklung effizienter Formierungsstrategien. Diese sollen insbesondere durch eine deutliche Reduzierung der Prozesszeit die Fertigungskosten der Batteriezellen senken.

Ziel des Teilprojekts „Skalierung“ ist es, die Grundlagen für eine effiziente, innovative Formierung im industriellen Maßstab zu schaffen. Dies beinhaltet sowohl die Betrachtung der technischen Umsetzbarkeit einer solchen Anlagentechnologie und der Integrierbarkeit dieser in den Produktionsablauf als auch die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit.

Ein weiteres Ziel des Teilvorhabens ist die Untersuchung und Bewertung alternativer Szenarien für die Ausführung der Schnittstelle zwischen Zellhersteller und -anwender. Diese Szenarien sollen im Vergleich zum konventionellen Prozessablauf auf Einsparmöglichkeiten und Effizienzsteigerungspotenziale hin geprüft werden.

Hauptinhalt des Teilprojektes „Skalierung“ ist es, die in den vorgelagerten Teilprojekten erforschten Methoden zum beschleunigten Formieren und die entwickelten Verfahren zur prozessbegleitenden Prüfung in einen flexibel rüstbaren Versuchsträger zu überführen. Dieser Versuchsträger muss dabei in der Lage sein, die zuvor im Labormaßstab erprobten und optimierten Verfahren auf großformatige Batteriezellen anzuwenden. Mit dem Versuchsträger werden diese formiert und die Zellen anschließend analysiert, um die Wirksamkeit der neuen Verfahren zu überprüfen.

Als weiteren Schwerpunkt erforscht tk SY gemeinsam mit den Projektpartnern Szenarien, bei denen eine räumliche Trennung der Prozessfolge, vom Elektrolytbefüllen bis zum Ageing, durchgeführt wird. Das Ziel ist dabei, Einsparpotenziale und Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung zu identifizieren.

Ein beispielhaftes Szenario ist es, Teile der Prozessfolge vom Zellhersteller zum Anwender zu verlegen, d. h. die Zellen beim Hersteller nur vorzuladen, Fertigformierung/Ageing beim Anwender durchzuführen.

In diesem Zuge untersucht tk SY gemeinsam mit dem IKTS den Vorgang des Elektrolytbefüllens näher. Ziel ist es, eine Methode zu entwickeln, um den Zeitpunkt der Formierbereitschaft der Batteriezelle messtechnisch erfassen zu können

Derzeit entfallen, beispielsweise bei PHEV-Zellen, 18 bis 32 Prozent der Prozesskosten auf Formation und Ageing [1]. Die Chance, diese Kosten zu senken, bietet Formieranlagentechnik, die stark verkürzte Formierungszeiten ermöglicht. Die langen Formierungszeiten von bis zu vier Wochen stellen aufgrund des Lager- und Logistikaufwandes, der Sicherheitsproblematik und der enormen Kapitalbindung das Kernproblem des bisherigen Formierungsprozesses dar. Dementsprechend wird ein verkürzter Formierungsprozess auch in der „Roadmap Batterie-Produktionsmittel 2030“ [2] als Schlüsselherausforderung („Red Brick Wall“) definiert.

Das Teilprojekt „Skalierung“ legt mit den durchgeführten Arbeiten den Grundstein für eine anschließende Umsetzung der Projektergebnisse in den industriellen Maßstab und somit für eine signifikante Senkung der Batteriezellproduktionskosten insgesamt.

[1] B. Barnett, J. Rempel, C. McCoy, S. Dalton-Castor, S. Sriramulu, PHEV and LEESS Battery Cost Assessment, in DOE Annual Merit Review, May 10, 2011

[2] VDMA Batterieproduktion (Hrsg.): „Roadmap Batterie-Produktionsmittel 2030“, (VDMA Verlag, 2014)