Qualitätsorientierte und energiebedarfsreduzierte Anlagentechnik für die LIB- und NextGen-Produktion in Mini-Environments

In Folge der steigenden Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien (LIB) werden in den nächsten Jahren die Produktionskapazitäten in Deutschland sowie der ganzen Welt stark ausgebaut. Um die CO2-Emissionen einer Lithium-Ionen-Batterie über den gesamten Lebenszyklus zu reduzieren, gilt es den aktuell hohen Energiebedarf von Batteriezellfertigungen zu senken. Dementsprechend müssen die zukünftigen Produktionstechnologien mit Ziel der Energieeffizienzsteigerung geplant und betrieben werden. Daher wird mit dem geplanten Vorhaben die Entwicklung qualitätsorientierter und energiebedarfsreduzierter Anlagentechnik für die LIB- und NextGen-Produktion in Mini-Environments adressiert.

Im Projekt QueEn wird durch das Projektkonsortium ein modularer und transferierbarer Mini-Environment-Baukasten für die Adaption auf die gesamte Wertschöpfungskette der Batteriezelle entwickelt und umgesetzt. Unter Berücksichtigung der Transferschnittstellen zwischen verschiedenen Schritten der Wertschöpfungskette soll dabei ein Nachweis für die Funktion selbst und den effizienten sowie effektiven Einsatz von Mini-Environments erbracht werden. Dazu wird am Beispiel zweier kritischer Prozessschritte in der Assemblierung von LIB-Zellen ein Mini-Environment Clusterkonzept aufgebaut und demonstriert, das zur Identifikation und Lösung industrieller Herausforderungen dient.

Die Motivation zur Durchführung des Vorhabens resultiert aus den Chancen, die sich mit der Systemlösung Mini-Environment ergeben. Zum einen ist die Stabilität und Qualität der Produktionsumgebung ein ausschlaggebendes Kriterium für die Qualität, Performance, Lebensdauer und Sicherheit der Batteriezelle selbst, weshalb der Einsatz in Gigafabriken von besonderem Vorteil sind. Zum anderen bietet der Einsatz von MiniEnvironments statt konventioneller Rein- und Trockenräume enorme Energieeinsparpotentiale von bis zu 80%. In Anbetracht zukünftiger Zellmaterialien und leistungsstärkerer Batterien der nächsten Generation, wie es z.B. nickelreichere Lithium-Ionen-Batterien oder Festkörperbatterien mit sulfidischen oder oxidischen Elektrolyten sind, werden erhöhte Ansprüche an die Stabilität und Rein- sowie Trockenheit der Umgebung gefordert. Des Weiteren ergibt sich die Adaptionsmöglichkeit von Mini-Environments auf die gesamte Wertschöpfungskette vom Mischen bis zum Verschließen der Zellen, weshalb der Einfluss von Mini-Environments für die großindustrielle Zellfertigungen (vgl. Gigafactory) potenziell enorm ist. In diesem Projekt werden Lösungsansätze und Technologien entwickelt, welche nachhaltig die gesamte Wertschöpfungskette unter wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Aspekten optimieren und eine neue Generation von Anlagentechnik in der Batteriezellfertigung einleitet.

Die Attraktivität der Lösung basiert in der enormen Energiereduzierung, welche durch prozess- oder gar produktnaher Einkapselungen umgesetzt wird. Dazu wird in dem vorliegenden geplanten Vorhaben ein Clusterkonzept entwickelt und umgesetzt, was in der Gesamtdemonstration (TRL 6-7) die größten industriellen Herausforderungen adressiert im Kontext Mini-Environments. Die Validierung der Prozessinnovationen und des innovativen Luftmanagement erfolgt hierbei über digitale Monitoringsystem sowie über die Qualitätssicherung in der FFB. Das übergeordnete Ziel besteht in der Realisierung eines vollautomatisierten Demonstrators, welcher allen Anforderungen aus Sicht einer eingekapselten Prozessanlage für die Zellassemblierung gerecht wird. Dafür werden die Schnittstellen Logistik, Mensch und die Mindestanforderung der umgebenden Atmosphäre zum Mini-Environment berücksichtigt. Betrachtet man die gesamte Wertschöpfung auf industrieller Ebene, so erweisen sich die anlagentechnischen Schnittstellen als besondere Herausforderung. Dies ist zum einen die Beschickung der Halbzeuge aber auch die vollautomatisierte Anlagenverkettung, welche essenziell für hohe Durchsätze in zukünftigen Gigafabriken (wie z.B. Automotivesektor) sind. Daher ist ein weiteres Ziel technologische Lösungen für die kritischen Herausforderungen zu entwickeln. Des Weiteren ist die erweiterte Prozesskontrolle durch neuartige Steuerungs- und Regelungskonzepte im Kontext verketteter Mini-Environments Ziel dieses Vorhabens. Das Erlangen von Wissen der direkten Interaktion von Umgebungszustand und Produktionstechnik erweist sich hier als weiteres Ziel, um noch unbekannte Herausforderungen für weitere Skaleneffekte zu minimieren.

Ein weiteres Ziel ist es über simulationsbasierte Untersuchungen und Validierungen von Strömungskonzepten die Entwicklung und Umsetzung des Gesamtkonzepts zu unterstützen. Als Gesamtziel des Projektes QueEn wird der Nachweis der Gesamtsystem-Funktionalität während eines spezifizierten Use Cases (Produktionsszenario) erbracht. Durch digitale Abbilder der Anlage wird die Stabilität des Umgebungszustands, insbesondere im Point of Use (POU), über zu entwickelnde Condition Monitoringsysteme sichergestellt. Für die Optimierung und Ableitung von Handlungsfeldern soll über einen digitalen Produkt und Anlagenzwilling der produzierten Batteriezelle sowie der Mini-Environments das Feuchtemanagement und dessen Implikationen auf nachfolgende Prozessschritte sowie die allgemeine Lebensdauer und Performance der Batteriezelle untersucht werden.

Folgend sind die Hauptziele des Projekts QueEn aufgeführt:

• Ganzheitliche Anforderungsanalyse (Hochdurchsatzproduktion (Gigafabriken))

• Entwicklung intelligenter Steuerungs- und Regelungs-methoden zur Sicherstellung von Wechselwirkungen zwischen Produktionstechnik und Atmosphäre

• Integration neuer Ansätze für die Anlagenverkettung zur Befähigung von Mini-Environments im Industriemaßstab

• Entwicklung innovativer Entfeuchtungstechnologie für Mini-Environments

• Nachweis Gesamtsystem-Funktionalität unter prozess-, produktions- und sicherheitstechnischen Aspekten

• Demonstration der Gesamtanlage mit integrierter Prozessinnovation unter industriellen Anforderungen (Versiegelung und Elektrolytbefüllung) und Kompatibilität zu Mini-Environment

Der vorliegende Arbeitsplan in QueEn besteht insgesamt aus 7 Arbeitspaketen (AP) und entsprechend zugehörigen Unter-Arbeitspaketen (UAP). Das Vorhaben gliedert sich in den 3 Projektphasen Konzeptionierung, Entwicklung und Erprobung. Begleitet wird das Gesamtvorhaben vom parallel-laufenden AP7, welches das Projekt koordiniert und in welchem der Ergebnistransfer stattfindet. Durch die Wissensmultiplikation im AP7 gelingt die positive Hebelwirkung für den Standort Deutschland. Das AP1 befasst sich mit der ganzheitlichen Anforderungsanalyse, um eine Lösung zu erzielen, welche skalierbar und adaptierbar transferiert werden kann. Das AP2 legt den Schwerpunkt in den Prozessinnovationen. Insbesondere soll hier ein Innovationssprung in der Elektrolytbefüllung realisiert werden. Das AP3 entwickelt eine für Mini-Environments zugeschnittene Entfeuchtungstechnologie. Des Weiteren werden hier Strömungsmodelle und -methoden realisiert, welche die Steuerung einer verketteten Gesamtanlage ermöglichen. AP4 konsolidiert die erzielten Erkenntnisse und realisiert eine schnittstellenoptimierte Anlagentechnik unter Berücksichtigung der definierten KPIs und den Anforderungen. Des Weiteren erfolgt hier die erstmalige Anlageninbetriebnahme. Das AP5 realisiert die digitale Umsetzung und befähigt die datengebundene Prozessoptimierung. Das AP6 erprobt den Demonstrator, um Optimierungsansätze in iterativen Schritten umzusetzen. Das Projekt wird mit der Ableitung von Handlungs- und Adaptionsempfehlungen für die gesamte Wertschöpfungskette abgeschlossen.

In dem hier vorgestellten Projekt erweitern alle Projektbeteiligten ihre Kenntnisse und Fähigkeiten in der Lithium-Ionen-Batteriezellfertigung im Allgemeinen und im zukunftsträchtigen Teilgebiet der Mini-Environments im Speziellen. Daraus leiten sich sowohl wissenschaftliche als auch wirtschaftliche Ziele im Projektablauf selbst und langfristig auch darüber hinaus ab. Durch die Positionierung der Industriepartner als Generalunternehmer im Bereich Rein- und Trockenraumtechnik und Batteriezellfertigung werden die erarbeiteten Erkenntnisse auf die gesamte Wertschöpfungskette erweitert. Während des Forschungs- und Entwicklungsprozesses werden die Arbeitsergebnisse auf Patentierbarkeit geprüft und in Form von wissenschaftlichen Beiträgen, Artikeln in Fachzeitschriften sowie auf Messen und Konferenzen veröffentlicht werden. Die erzielten Erkenntnisse werden zu weiteren Forschungsfragen und anschließend auch zu weiteren Forschungsaktivitäten führen, die den Wirtschafts- und Forschungsstandort Deutschland in einer Zukunftstechnologie nachhaltig stärken. Besonders zielt die hier entwickelte Lösung auf die Verwertung in Gigafabriken für den Automotivesektor ab, da hier höchste Ansprüche an Produktqualität und Kostenreduktion gefordert werden. Allgemein wird in der Verbundforschung mit den Partnern ein Wissensvorsprung in diesem neuen Technologiefeld innerhalb der schon etablierten Zellfertigungstechnologie gegenüber der außereuropäischen Konkurrenz generiert, der langfristig zur internationalen Wettbewerbsfähigkeit des Standorts Deutschland beitragen wird. Es ist geplant, Teile der gewonnenen Ergebnisse auf mindestens einer Konferenz und mindestens in einer Fachzeitschrift zu veröffentlichen. Durch das Projekt wird die Standardisierung von Produktionsanlagen gefördert, wodurch die Batteriezellenfertigung am Standort Deutschland gefestigt werden soll.