Innovative Gehäusekonzepte für großformatige Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Zellen sind die Schlüsselkomponente für einen Erfolg der Elektromobilität. Die zellinternen Komponenten sind von einem Gehäuse umgeben, an das vielfältige Anforderungen gestellt werden. So ist das Zellinnere von äußeren Einflüssen zu schützen und gleichsam der Schutz vor Austritt der zellinternen, zum Teil giftigen und brennbaren Stoffe unerlässlich. Zudem muss das Zellgehäuse die Kühlfunktion übernehmen, Anforderungen bzgl. der Modulintegrierbarkeit erfüllen und möglichst kostengünstig und aufwandsarm fertigbar sein. Ansätze des „Design for Assembly“ und des „Design for Manufacturing“ (DfA/DfA) finden derzeit kaum Berücksichtigung.

Aktuell basiert die Zellherstellung auf den konventionellen, bereits etablierten Zellbauformen (Pouch-Zellen oder Hardcase-Zellen). Für eine hohe spezifische Energie einer Lithium-Ionen-Batterie ist generell ein möglichst großes Verhältnis zwischen der gespeicherten Energie und der Gehäusemasse, sowohl auf Zell-, als auch auf Modulebene elementar. Dies kann insbesondere durch großformatige Gehäusekonzepte realisiert werden, die nach aktuellem Stand der Technik weitestgehend unerforscht sind. Die Produktion und die Nutzung großformatiger Lithium-Ionen-Zellen sind weiterhin derzeit noch mit hohen Herausforderungen verbunden, die sowohl produktions- und montagetechnischer Natur sind, als auch die Sicherheit und die Kühlung des Zellstapels betreffen.

Im Fokus des Projekts InnoCase steht die Erforschung und Entwicklung neuartiger Gehäusekonzepte, welche die Vorteile herkömmlicher Gehäusetypen vereinen. Die beteiligten Produktionsprozesse sollen im Projekt ebenfalls (weiter-)entwickelt werden. Da großformatige Lithium-Ionen-Zellen erhöhte Anforderungen an die Zellauslegung stellen (Temperaturverteilung, Stromleitung über große Elektrodenflächen, Sicherheitseigenschaften), ist die numerisch gestützte Zellauslegung ein weiterer Projektschwerpunkt. Diese Herausforderungen werden im Projekt InnoCase in einem Konsortium aus Industrie und Forschung adressiert, das Partner entlang der gesamten Wertschöpfungskette von Lithium-Ionen-Zellen-Gehäusen beinhaltet. Im Fokus des Projekts InnoCase steht die Senkung der Herstellungskosten von Lithium-Ionen-Zellen durch die Erforschung und Entwicklung innovativer, großformatiger Gehäusekonzepte, welche die Vorteile herkömmlicher Gehäusetypen vereinen. Durch eine vereinfachte Zellmontage, die Substitution und Vereinfachung von Fügeprozessen und eine verbesserte Modulintegrierbarkeit, sind Einsparungen bei den Produktionskosten der Lithium-Ionen-Zellen zu erwarten. Die Festlegung der Elektrodenaktivmaterialien sowie des Separators und eines geeigneten Elektrolyten erfolgen bereits früh im Projekt, da hier auf Standardmaterialien zurückgegriffen wird. Innerhalb der Konzeptphase werden prototypische Zellen hergestellt, wobei nach zwei Projektjahren die Definition des finalen Zellkonzepts erfolgt. Von diesem Zelltyp werden im Anschluss Zellen produziert, die abschließend zu einem Modul assembliert werden. Die Validierung dieses Moduls, das auch über ein neu entwickeltes Batteriemanagementsystem (BMS) verfügt, stellt den Abschluss des Projekts dar. Projektübergeordnet wird eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchgeführt.

Batteriemodule mit großformatigen Batteriezellen werden zukünftig in zahlreichen Branchen, insbesondere aber im Elektromobilitätssektor, eingesetzt werden. Damit die deutsche Industrie in diesem aussichtsreichen Markt ihre Konkurrenzfähigkeit sicherstellen kann, ist das Projekt InnoCase von ausgesprochen hoher Wichtigkeit. Bei einer erfolgreichen Umsetzung kann dem Markt die Anlagentechnik, die sich für die Fertigung von größeren Zellen eignet, bereitgestellt werden. Weiterhin können optimierte Gehäuse für großformatige Zellen ausgelegt und deren Herstellbarkeit im Rahmen von Musterteilen bestätigt werden. Damit kann die Nachfrage aufgrund des technologischen Trends nach immer größer werdenden Zellen gedeckt werden und die Wettbewerbsfähigkeit im wachsenden Markt der Elektromobilität und dem der stationären Energiespeicher sichergestellt werden. In zahlreichen Produktionsanlagen für Lithium-Ionen-Zellen kommen derzeit lasertechnische Installationen zum Einsatz, sodass hier von einem weiteren großen Potential ausgegangen werden kann. Neben einer Umsetzung der Forschungsergebnisse im PKW-Sektor ist ebenfalls eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den gesamten Automobilmarkt bzw. Elektromobilmarkt denkbar. Ein besonderer Mehrwert könnte für den Nutzfahrzeugsektor geschaffen werden, da die Energiespeicher im Vergleich zu PKW deutlich größer sind. Durch die Wirtschaftlichkeitsbewertung der großformatigen Zelle wird gewährleistet, dass das neue Zellformat eine realistische Kostenbewertung erfährt, was zur Marktakzeptanz beitragen kann. Darüber hinaus sollen durch die wirtschaftliche Betrachtung die Kosten des Zellformats hinsichtlich des gesamten Lebenszyklus aufgezeigt werden. Dies hilft potenziellen Anwendern, das Potential der Technologie abzuleiten und für ihre Anwendung in Betracht zu ziehen.