Schnelles Stapeln für die Massenfertigung von kostengünstigen und sicheren Lithium-Ionen-Zellen und Weiterentwicklung von Elektroden- und Separatormaterialien - Material-, Prozess- und Anlagenentwicklung und Qualifizierung im Produkt

Wie neue Ergebnisse aus Stress- und Langzeittests zeigen, weisen gealterte Zellen deutliche Qualitätsunterschiede auf, je nachdem ob sie mittels Wickeln oder mittels Stapeln der Elektroden und Separatoren hergestellt wurden. Lithium-Plating, Schichtablösung etc. haben eine verminderte Zyklenzahl in gewickelten Zellen zur Folge. Auch konnte ein massiver Einbruch der Kapazitätskennlinien dieser Zellen nach Erreichen des ersten EOL-Kriteriums von 80 Prozent beobachtet werden.

Gestapelte Zellen weisen durch die bessere Raumausnutzung eine um den Faktor 2 bis 5 Prozent höhere Zellkapazität auf, wobei bei gleichen Elektrodenmaterialien auch die Langzeitstabilität der gestapelten Zellen deutlich höher ausfällt. Ein großer Nachteil des Einzelblatt-Stapelverfahrens ist jedoch der geringere Durchsatz bei den derzeit verfügbaren Anlagen für die Massenfertigung. Der Durchsatz beim Stapeln ist um den Faktor 2 bis 6 niedriger als beim Wickeln, und die Anlagen haben eine höhere Komplexität bei vergleichbarer Genauigkeit. Hierfür sollen neue Anlagen- und Prozesstechnik erforscht und prototypisch umgesetzt und qualifiziert werden.

Gleichzeitig sollen vergleichbare bis verbesserte Prozessausbeuten mittels neuartiger verbesserter Elektroden und Separatoren durch die Entwicklung bzw. Anpassung bestehender Prozesse und Handhabungstechnik im Vergleich zum Stapeln der Folien zur Zellherstellung für den Einsatz im Automobil gezeigt werden. Zusätzlich sollen neue und verbesserte Elektroden- und insbesondere Separatormaterialien erforscht und entwickelt werden, um die Qualität von Lithium-Ionen-Zellen weiter zu erhöhen und Herstellkosten weiter zu senken. Die Anlagen- und Prozessentwicklung wird an zukünftig relevanten Materialien für die Massenproduktion ausgerichtet. Damit wird die Lücke zwischen Qualität und Relevanz der F&E-Arbeiten für die industrielle Anwendung geschlossen.

Stapelzellen weisen durch ihren homogenen Aufbau die Nachteile in geringerem Maß auf. Daneben weisen gestapelte Zellen durch die bessere Raumausnutzung eine um 2 bis 5 Prozent höhere Zellkapazität auf. Ein großer Nachteil des Einzelblatt-Stapelverfahrens ist jedoch der geringere Durchsatz bei den derzeit verfügbaren Anlagen für die Massenfertigung.

Ziel dieses Vorhabens ist es, diesen konkreten Nachteil im Rahmen der geplanten Arbeiten mindestens zu kompensieren. Gleichzeitig sollen vergleichbare bis verbesserte Prozessausbeuten durch die Entwicklung bzw. Anpassung bestehender Prozesse und Handhabungstechnik im Vergleich zum Stapeln der Folien zur Zellherstellung für den Einsatz im Automobil erzielt werden. Eine abschließende Evaluierung der Herstellkosten in einer Massenproduktion soll die Ergebnisse für die schnelle wirtschaftliche Übertragung und kommerzielle Verwertung im Vergleich zu herkömmlichen Materialien und Prozessen untermauern. Der Nachweis verbesserter Leistungsdichten, Zyklenfestigkeit, Langlebigkeit und Sicherheit gegenüber bisherigen Lithium-Ionen-Zellen ist ebenso ein Zielkriterium.

Der Verbund ist mit der Manz AG, einem der führenden Anlagenhersteller für die Produktion von Batteriesystemen auf Lithium-Ionen-Basis und der Freudenberg Performance Materials SE & Co. KG, einem erfolgreichen und innovativen Materiallieferanten, der mit seiner umfangreichen Erfahrung sowohl technologisch als auch materialspezifisch gut aufgestellt ist. Das ZSW ist mit seinem immensen Know-how auf diesen Gebieten und seiner Forschungsproduktionslinie (FPL) ein idealer Partner für die notwendige prozessbegleitende Analytik und Tests sowie den Zellenbau. Das Interesse der Begleitung des Vorhabens durch einen deutschen Automobilbauer (BMW AG) und einen Zellhersteller (VARTA) runden die Ganzheitlichkeit der F&E-Arbeiten in diesem Vorhaben hervorragend ab.