Entwicklung, Integration und Validierung innovativer Prozesse und QS-Methoden in der Produktion großformatiger Lithium-Ionen-Zellen

Die Produktion von Batteriezellen ist eine Abfolge von komplexen Einzelprozessen, an denen verschiedene Branchen beteiligt sind, so etwa die chemische Industrie sowie der Anlagen- und Maschinenbau. Über die genauen Auswirkungen der Einzelprozesse auf die Gesamtqualität wird häufig nur gemutmaßt, da oftmals Unwissenheit über die relevanten Prozessparameter und ihre Toleranzen herrscht oder bereits bekannte Einflussparameter nicht zuverlässig detektiert werden können. Ebenso sind die hohen Qualitäts- und Prozessführungsanforderungen der Automobilindustrie mit z. B. etablierten Qualitätsregelkreisen noch nicht erreicht. Die aktuell verfügbaren Methoden und Standards zur Reduzierung von Qualitätsschwankungen und damit des Ausschusses sind in der Regel auf einzelne Prozessschritte im Produktionsablauf beschränkt und erlauben keine Ableitung von übergreifenden Prozess-Qualität-Eigenschaftsbeziehungen in der Zellproduktion.

Im Verbundprojekt QS-Zell wird eine deutliche Verbesserung der Lithium-Ionen-Zellen im Hinblick auf Performance, Qualität und Produktionskosten angestrebt. Dies soll erreicht werden durch die Entwicklung von zeiteffizienteren, ressourcenschonenden Herstellverfahren und durch die Entwicklung, Programmierung und Implementierung eines wirksamen, übergreifenden Qualitätssicherungskonzepts entlang der gesamten Wertschöpfungskette mit dem Ziel, Qualitätsschwankungen, Ausschussraten und Kosten in der Produktion von Lithium-Ionen-Zellen zu reduzieren. Damit soll ein wichtiger Beitrag für den Aufbau einer wirtschaftlichen und nachhaltigen Batteriezellproduktion geleistet werden.

Im Zentrum des Projektes werden qualitätsrelevante Kernprozesse und QS-Methoden zum Kalandrieren, Nachtrocknen, Befüllen und Formieren am Beispiel von NMC-622-Kathoden und Graphit-Anoden erforscht und weiterentwickelt. Mit den verbesserten Prozessen werden optimierte PHEV1-Zellen an der Forschungsproduktionslinie (FPL) in Ulm hergestellt und der Entwicklungsfortschritt anhand von Leistungsdaten und Tests bewertet. Durch statistische Analysen werden relevante Einstellgrößen identifiziert, Prozessmodelle entwickelt und ein Qualitätssicherungskonzept aufgebaut. Ein wichtiger Aspekt dieses Projekts ist die Nutzung der FPL als Referenz- und Integrationsplattform, um die Projektergebnisse im Kompetenzcluster ProZell zusammenzuführen und am PHEV-1-Zellformat im industrienahen Maßstab als Gesamtpaket darzustellen.

Im Rahmen einer engen Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl Computergestützte Statistik der TU Dortmund und den Projektvorhaben im ProZell-Cluster zielt der Projektablauf dementsprechend auf

• die Nutzung der Forschungsproduktionslinie (FPL) am ZSW als übergreifende Ausgangs- und Integrationsplattform zur gesamtheitlichen Validierung der Ergebnisse in ProZell,

• die Erarbeitung von Produktions- und Qualitätssicherungskonzepten für das Kalandrieren und das Nachtrocknen von großformatigen Hochenergieelektroden an der FPL,

• die Übertragung und Erprobung von Prozessverbesserungen und QS-Methoden anderer Cluster-Projekte zum Befüllen, Formieren, Nachtrocknen und Kalandrieren mit dem Ziel, die Anwendungsrelevanz und das Optimierungspotenzial am PHEV-1-Zelldesign in mehreren Produktionskampagnen darstellen zu können,

• die Entwicklung und Integration eines übergreifenden, innovativen Qualitätssicherungskonzepts entlang der gesamten Wertschöpfungskette in der Zellproduktion mit dem Ziel, die Qualitätsschwankungen und Ausschussraten zu reduzieren und einen Beitrag zur Senkung der Herstellkosten und zur Steigerung der Produktqualität einer großskaligen Batterieproduktion zu leisten und

• die Generierung eines integrierten physikalisch-chemischen und statistischen Modells für ein tieferes Prozessverständnis zur Entwicklung funktionaler, übergreifender Prozess-Qualität-Eigenschaft-Funktionen am Beispiel des FPL-Produktionsprozesses.

Alle erarbeiteten Daten werden in der geplanten, zentralen Datenbank des ProZell-Clusters zusammengeführt, um über Forschungsinstitute hinweg und zelltechnologieübergreifend für Auswertungen und weitere Forschungsarbeiten zu Prozess- und Qualitätsoptimierungen zur Verfügung zu stehen. Damit soll die wissenschaftliche Basis für den Aufbau und die nachhaltige Weiterentwicklung einer international führenden, wettbewerbsfähigen Batteriezellproduktion in Deutschland gelegt werden.