Beschleunigung und energetische Optimierung der Zellformierung in der Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien mittels Untersuchungen zu Prozess-Eigenschaft-Beziehungen

Die Formierung sowie die anschließende Reifung gehören zu den wichtigsten Prozessschritten in der Produktion von Lithium-Ionen-Zellen. Während der Formierung kommt es zur Ausbildung einer Grenzschicht zwischen dem Elektrolyten und dem Aktivmaterial (Solid Electrolyte Interphase, kurz: SEI), deren Beschaffenheit einen wesentlichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und das Alterungsverhalten der Zellen nimmt. Im Anschluss an die Formierung werden die Zellen über mehrere Tage gereift, um die Zelleigenschaften durch die Umsetzung restlicher Nebenprodukte sowie die weitere Verteilung des Elektrolyten unter kontrollierten Bedingungen ablaufen zu lassen.

Sowohl die Formierung als auch die Reifung stellen derzeit zeitaufwändige und energieintensive Prozessschritte dar, die aufgrund der Notwendigkeit zur Bereithaltung einer Vielzahl an Lagerplätzen in hohem Maße zu den Produktionskosten beitragen. Je nach Wahl der Prozessparameter haben die Zellen Durchlaufzeiten von bis zu 30 Tagen in der Formierung und Reifung. Trotz der hohen Bedeutung innerhalb der Zellproduktion und dem Anteil am Produktionsprozess ist das bisherige Wissen über die chemischen Vorgänge während der Formierung und Reifung sowie dem Einfluss von Prozessparametern auf die Produktqualität nur unzureichend untersucht.

Die Herausforderung ist es daher, durch systematische Untersuchungen eine optimale Parameterkombination zu finden, die es erlaubt, den Formierungsprozess ohne Qualitätseinbußen deutlich zu beschleunigen. Die entsprechenden Untersuchungen werden in einem Konsortium bestehend aus dem Batterieforschungszentrum MEET, dem Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energieanlagen elenia der TU Braunschweig und dem Lehrstuhl PEM der RWTH Aachen durchgeführt. Die variablen Parameter können in drei Kategorien eingeteilt werden: elektrische, chemische und äußere. Die Auswirkungen einer angepassten Ladeprozedur auf Dauer und Qualität der Lithium-Ionen-Zellen werden federführend durch das elenia-Institut betrachtet. Die Auswirkungen von chemischen Einflussfaktoren wie dem Zusatz von Additiven stehen im Fokus der Untersuchungen am Batterieforschungszentrum MEET. Der Lehrstuhl PEM untersucht den Einfluss von äußeren Umgebungsbedingungen auf den Formierungs- und Reifungsprozess.

Die Formierungsprozedur wird hinsichtlich relevanter Einflussgrößen auf das Formierergebnis analysiert. Die Auswirkungen unterschiedlich hoher spezifischer Ladeströme, Spannungen und Halteintervale werden durch systematische Parametervariation erfasst und der Einfluss auf Zellqualität und Prozessdauer bewertet. Aus den Ergebnissen dieser Untersuchungen werden Maßnahmen für eine effizientere Formierungsprozedur abgeleitet.

Zur Gewinnung eines tiefgreifenden Verständnisses über die Wirkzusammenhänge zwischen mechanischer Belastung, Temperatur und Spannung auf die Formierungs- und Reifungsprozesse wird im Rahmen des Projekts eine spezielle Vorrichtung entwickelt und konstruiert. Diese elektronisch steuerbare und an die Zellgeometrie des Projektpartners MEET angepasste Pressvorrichtung verfügt über Kraftsensoren und einen Stellantrieb, um gezielte Drücke auf die Zelle aufbringen bzw. messen zu können. Messwegsensoren erfassen die volumetrische Ausdehnung der Zelle während der Formierung und können dazu genutzt werden, um über eine spezielle Steuerungslösung mechanische Belastungen auch dynamisch mit dem Ladeprofil zu synchronisieren. Die Pressvorrichtung wird in einer Klimakammer positioniert, um verschiedene Temperaturen und Temperaturprofile untersuchen zu können. Die Vorrichtung verfügt über eine große Anzahl von thermischen Sensoren, um die Temperatur der Zelle über die gesamte Fläche messen und aufzeichnen zu können. Die lokale Selbsterwärmung der Zelle wird Aufschlüsse über Energieverlustursachen während der Formierung geben. Zusätzlich werden Maßnahmen hinsichtlich der von Verlustleistungen an Kontaktstellen zur Zelle untersucht.

Der Reifeprozess hat entscheidenden Einfluss auf das Formierergebnis. Im Fokus stehen die chemischen Prozesse, die während der Reifung in den Zellen ablaufen, um entsprechende Rückschlüsse auf die Mechanismen ziehen zu können. Hierzu werden sowohl oberflächen-analytische Verfahren als auch chromatographische Verfahren eingesetzt, um die Zersetzungsprodukte auf den Oberflächen der Zellkomponenten sowie im flüssigen Elektrolyt im Rahmen einer Post-mortem-Analyse zu untersuchen. In einem weiteren Schritt wird der Einfluss von Additiven zur Beschleunigung des Reifeprozesses auf das Formierergebnis untersucht.

Gestützt auf das verbesserte Prozessverständnis werden optimierte Formierungs- und Reifungsstrategien mit dem Ziel einer effizienten Prozessführung entwickelt. Die Potenziale einer optimierten Formierung werden ermittelt, die sich in einer verbesserten, d. h. vor allem zeitlich beschleunigten, Formierungs- und Reifungsdauer widerspiegeln.

Die in den einzelnen Teilvorhaben erzielten Ergebnisse werden zum Projektende zusammengeführt und an einer Formierungsanlage validiert.

Der wissenschaftliche Beitrag dieses Projekts wird den Zellherstellern und Herstellern von Fertigungsanlagen eine Grundlage dafür geben, die Produktionsprozesse effizienter und kostengünstiger zu gestalten.