Beschleunigung der Elektrolytaufnahme durch optimierte Befüllungs- und Wettingprozesse

Die Befüllung einer Lithium-Ionen-Batterie (LIB) mit Elektrolytflüssigkeit und das anschließende Wetting stellen die Schnittstelle zwischen Zellmontage und Formierung dar. Trotz des hohen Potenzials für Durchsatzerhöhung und Kostensenkung sowie eines wissenschaftlich unklaren Einflusses auf Qualitätsmerkmale der Lithium-Ionen-Batterie wurde der Untersuchung der Elektrolytbefüllung bisher kaum wissenschaftliche Aufmerksamkeit zuteil. Es sind zwar Best-Practice-Lösungen vorhanden, doch welche Vorgänge die Befüllung und das Wetting dominieren und wie diese beschleunigt werden können, ist bislang noch nicht systematisch erfasst worden. Die Benetzbarkeit als Materialeigenschaft der Einzelkomponenten sind in der Regel entkoppelt vom Produktionssystem und den Verarbeitungsmechanismen betrachtet worden. Auch die Simulation des Befüllprozesses wurde trotz zahlreicher Ansätze zur Simulation von Strömungen in porösen Strukturen in anderen Bereichen bislang nicht thematisiert. Im Rahmen des Projektes Cell-Fi wird daher der Themenkomplexe Befüllung und Wetting erstmals wissenschaftlich untersucht.

Für die Untersuchung der Themenkomplexe Befüllung und Wetting werden die verarbeitungsrelevanten Eigenschaften der Grundkomponenten ermittelt. Betrachtet werden sowohl die Elektrolyt- als auch die Elektroden- und Separatoreigenschaften. In diesem Zusammenhang werden auch die bei der Packagebildung relevanten mechanischen Separatoreigenschaften analysiert.

Das Prozesswissen zur Befüllung und Wetting wird anschließend sowohl an Pouch-, Rund- als auch prismatischen Hardcasezellen erarbeitet, um die Einflüsse des Zelldesigns zu ermitteln. Durch die Untersuchung der verarbeitungsbedingten Veränderungen der Elektrolyteigenschaften, den Aufbau eines Referenzsystems insbesondere für Separatoren und deren Implementierung in Simulationsmodelle kann das erarbeitete Wissen auf andere Zellgeometrien und -bauweisen übertragen werden. Die Projektergebnisse münden in ein Entscheidungstool, das die Ableitung von Maßnahmen für das Prozess- und Zelldesign unter gegebenen Randbedingungen ermöglicht.

Vor dem Hintergrund der steigenden Relevanz von elektrischen Speichertechnologien für mobile und stationäre Anwendungen kommt der wirtschaftlichen Herstellung von geeigneten Batterien in hoher Stückzahl eine wesentliche Bedeutung zu. So spielt bei der Fertigung von Elektrofahrzeugen die Batteriezellherstellung sowohl aus Kosten- als auch aus Umweltsicht eine zentrale Rolle. Die Befüllung ist hierbei aufgrund der langen Lagerzeit ein hoher Kapitalbindungsfaktor.

Die in Cell-Fi untersuchten Fertigungsprozesse stellen daher entscheidende Schritte in Richtung konkurrenzfähiger Energiespeicher dar. Insgesamt soll das Vorhaben dazu beitragen, die Rolle Deutschlands auf dem Forschungsgebiet der Batteriezellproduktion zu stärken und auch im internationalen Vergleich eine führende Rolle einzunehmen.