Innovative Produktionstechnologien für die Herstellung demontagegerechter Lithium-Ionen-Batteriespeicher

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Konzeption und der Demonstratoraufbau eines neuartigen Batteriemoduls auf der Basis von prismatischen Lithium-Ionen-Zellen, das zum einen den Montageprozess – verglichen mit aktuellen Lösungen – vereinfacht und gleichzeitig eine (teil-)automatisierte Demontage des Moduls ermöglicht, sowie die Erforschung von innovativen Fertigungsverfahren zu dessen Herstellung. Dadurch soll es möglich werden, zukünftig große Einsparungen im Lebenszyklus eines Batteriesystems zu erzielen, die letztlich an den Endanwender weitergegeben werden können und die dadurch einen Beitrag zur Etablierung elektrischer Mobilität leisten.

Das Forschungsvorhaben InnoDeLiBatt leistet durch die Weiterentwicklung konventioneller Zellen mittels eines Industrie-4.0-Ansatzes sowie die Schaffung eines (teil-)automatisiert montierbaren und demontierbaren Batteriemoduls einen zentralen Beitrag zu den Förderzielen der Bundesregierung.

Die Zusammensetzung der Partner im Projektkonsortium (ElringKlinger, GreenIng und wbk) stellt zusammen mit den assoziierten Partnern (Bosch und VDE) sicher, alle benötigten Kompetenzen für die Durchführung des Forschungsvorhabens vereint zu haben. Insbesondere durch die Teilnahme des VDE kann eine Standardisierung der Projektergebnisse in entsprechenden Gremien erfolgen. Das Forschungsvorhaben greift damit direkt die Forderung der NPE in seiner Normungsroadmap Elektromobilität 3.0 auf, Normen zur Überwachung der inneren Werte (Empfehlung 4.3.5.1) einer Batteriezelle zu schaffen (Nationale Plattform Elektromobilität (NPE), 2014).

Um die Entwicklung kostengünstiger und leistungsfähiger Energiespeicher weitervoranzutreiben, stehen die intelligente Zelle sowie die Wiederverwertbarkeit von Batteriemodulen im Fokus dieses Projekts.

Die Ziele des Arbeitspakets 1 sind vor allem die Schaffung der Möglichkeit, in einzelnen Batteriezellen Messdaten durch intelligente Sensorik zu speichern und diese mit anderen Zellen bzw. einer übergeordneten Kontrolleinheit zu teilen. Dies kann entweder durch Funkübertragung oder drahtgebundene Methoden geschehen, beides wird in diesem Arbeitspaket untersucht. Zudem soll der aufwendigen Verkabelung für die Zustandsdiagnose der einzelnen Zellen aktueller Batteriemodule entgegengewirkt werden, da die Montage und Demontage der Verkabelung extrem aufwendig und fehleranfällig ist.

Das Arbeitspaket 2 beschäftigt sich mit der demontagegerechten Kontaktierung der Zellen. Hierbei sollen einerseits neue Fertigungsprozesse zur elektrischen Kontaktierung prismatischer Zellen innerhalb des Batteriemoduls und zum Modulbau entwickelt werden, mit denen sich zum einen niedrige elektrische Widerstandswerte erzeugen lassen und die sich auf der anderen Seite, anders als die Schweißverbindungen nach aktuellem Stand der Technik, in einem automatisierten Demontageprozess wieder lösen lassen. Um gleichzeitig die nötige Prozesssicherheit bei der Herstellung der elektrischen Kontakte zu gewährleisten, soll diese Montageeinrichtung durch eine In-line-Qualitätskontrolle ergänzt werden.

Im Arbeitspaket 3 wird die Überprüfung der elektrischen Leitfähigkeit der Verbindung entwickelt. Im Mittelpunkt stehen die Konzeptionen einer In-line-Qualitätskontrolle der Fügestelle, die im Rahmen der Projektbearbeitung prototypisch aufgebaut und erprobt wird. Eine Besonderheit soll die Rückspiegelung der Messwerte an den Fügeprozess darstellen, wodurch die Prozessparameter des Fügeprozesses angepasst werden können. Durch diesen Industrie-4.0-Ansatz wird in einem Fertigungsprozess auf lange Sicht durch andauernde, intelligente Selbstkonfiguration der Prozessparameter ein Wegdriften der Prozessqualität vermieden und ein gleich bleibendes Produkt garantiert.

In Arbeitspaket 4 wird ein Gesamtkonzept für ein demontagegerechtes Batteriemodul entwickelt. Dieses Modul soll sich im Gegensatz zum Stand der Technik dadurch abheben, dass es sich (teil-)automatisiert demontieren lässt. Somit ist eine Zweitverwertung wirtschaftlich sinnvoll darstellbar.

Die wirtschaftlichen Erfolgsaussichten der im Projekt anvisierten Ziele sind im Gesamtkontext sehr positiv zu beurteilen. Zum einen kann eine Kommunikationstechnologie für intelligente Zellen eine deutliche Vereinfachung im Produktionsprozess ermöglichen. Der Erfolg einer solchen Technologie kann die Kosten des Produktionsprozesses senken, die Qualität verbessern und gleichzeitig die Sicherheit im Betrieb durch die größere Wissensbasis erhöhen.

Durch die in Zukunft stark zunehmende Verbreitung von voll- und teilelektrisch angetriebenen Fahrzeugen wird der Markt für gebrauchte Batteriesysteme deutlich anwachsen. Die im Projekt untersuchten Fügemethoden und Prozesse bieten hier die Möglichkeit, defekte Batteriesysteme wirtschaftlich zu demontieren, defekte Zellen zu tauschen und das reparierte Batteriesystem einem zweiten Leben zuzuführen. Dies hat nicht nur positive wirtschaftliche Folgen für den Gesamtlebenszyklus, sondern trägt auch zur Ressourcenschonung bei.

Des Weiteren werden die Projektergebnisse in geeigneter Form aufbereitet und dem Fachpublikum im Rahmen von Konferenzen, Tagungen und Veröffentlichungen in Fachzeitschriften zur Verfügung gestellt. Der erarbeitete Technologie-Demonstrator soll nach Projektabschluss als Ausstellungsstück auf Fachmessen dienen.

Durch die Partnerschaft aller Verbundpartner im Spitzencluster Elektromobilität Süd-West wird ein enger Austausch mit weiteren Clusterprojekten sowie die Einbeziehung des Projekts in die Clusteraktivitäten, wie Statusseminare und Workshops der einzelnen Innovationsfelder, sichergestellt. So dienen die Ergebnisse als weitere Ausgangsbasis für vertiefte fachliche Diskussionen und die Weiterentwicklung des Themas. Darüber hinaus wird InnoDeLiBatt in die Öffentlichkeitsarbeit des Clusters integriert, wodurch eine Sichtbarkeit bei Veranstaltungen, Messen und in Fachzeitschriften ermöglicht wird.