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

Das Gesamtziel des Vorhabens „QueEn“ ist es, eine Mini-Environment für die Herstellung von Batteriezellen zu entwickeln. In diesem Projekt werden dazu 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. Die Strategie für die Energiereduktion basiert auf der Ausdifferenzierung und Verkleinerung der Fertigungsbereiche in eine sog. Mini-Environment. Hierzu werden einzelne Prozessschritte in gekapselten Fertigungsbereichen durchgeführt, die deutlich geringere Raumvolumina, somit weniger Energie bei der Erzeugung der Reinraumumgebung beanspruchen.

In einem ersten Schritt wird der bestehende Fertigungsprozess analysiert und ein Clusterkonzept für die Mini-Environment(e) erstellt, welches eine sinnhafte Einteilung des Fertigungsprozesses in modulare Clusterbausteine ermöglicht. Im zweiten Schritt werden die einzelnen Clusterbausteine auskonstruiert, hergestellt und getestet. Zugleich wird ein übergeordnetes, integriertes Steuerungs- und Monitoringsystem für die Prozessparameter der einzelnen Clusterbausteine aufgebaut. Daraufhin werden alle Clusterbausteine zu einem Gesamtsystem verbunden, welches die Evaluation einer vollautomatisierten Batteriezellenfertigung in einer energieeffizienten Reinraumumgebung ermöglicht. Im Rahmen der Entwicklung der Clusterbausteine werden auch die Schnittstellen in der Mensch-Maschineinteraktion, aber auch Konzepte für die Zu- und Abführung von Materialien und fertigen Produkten ausdifferenziert. Hierbei stellt insbesondere die flexible Zugänglichkeit der Arbeitsbereiche, auch für Wartung und Instandhaltung, bei gleichzeitiger Sicherstellung einer minimalen Kontamination des Arbeitsraumes eine besondere Herausforderung dar. Zum Ende des Projektes wird die Fertigstellung eines Gesamtdemonstrators (TRL 6) angestrebt, der die Weiterentwicklung zu einem seriennahen Produkt ermöglicht.

Für die Fa. FFT besteht das Hauptziel dieses Vorhabens in der Befähigung der Automation der Fertigungsprozesse von Batteriezellenkomponenten in einem Mini-Environment mit Reinraumqualität. Im Speziellen tritt FFT hier als Innovator im Bereich Versiegelung und Elektrolytbefüllung sowie als Entwickler und Integrator der Clusterbausteine für die MiniEnvironments auf. Wie oben beschrieben müssen die einzelnen Bausteine zunächst einzeln konzipiert, konstruiert, aufgebaut und evaluiert werden. Hierbei muss sichergestellt werden, dass keine gesundheitsgefährdenden Stoffe aus dem Mini-Environment austreten können. Zugleich muss ausgeschlossen werden, dass Luftfeuchtigkeit in das Mini-Environment eintritt, da dies die Herstellung leistungsstarker Batteriezellen ausschließt. Im Projektverlauf werden die einzelnen Clusterbausteine dann Schritt für Schritt miteinander verbunden, so dass eine Batteriezellfertigung möglich wird. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf den Schnittstellen zwischen den einzelnen Anlagenbausteinen, da teilweise verschiedene Luftdrücke oder gar Vakuum in den einzelnen Clusterbausteinen vorherrschen müssen. Zudem müssen eine vollautomatisierte Anlagenverkettung und die reibungslose Versorgung der Gesamtanlage mit Medien, Halbzeugen, Energie, etc. sichergestellt werden.

Während des Projektes findet ein stetiger Know-how Transfer zwischen den Verbundpartnern statt. So kann FFT seine Erfahrungen im Bereich der industriellen Systemintegration weitergeben, erlangt aber auch Wissen über alternative Fertigungskonzepte von den Partnern aus der Wissenschaft.

FFT setzt die Demonstrationsanlage entsprechend der definierten Spezifikation um. Dies beinhaltet das MiniEnvironment, den Laserschweißprozess, den Befüllprozess sowie die Steuerung der Gesamtanlage. Dabei wird das MiniEnvironment modular ausgeführt, sodass die Bauweise auf weitere Anwendungen übertragen werden kann. Der Laserschweißprozess wird bereits bei FFT vor Bereitstellung der Anlage für Versuchszwecke am FFB entwickelt. Die Befüllanlage wird entsprechend der gewählten Spezifikationen bereitgestellt, die Prozessoptimierung wird folgend am FFB umgesetzt.

Die Ergebnisse werden für die Aufnahme des Mini-Environments in die Produktauswahl von FFT und damit freie Zugänglichkeit über die Website und das Marketingmaterial von FFT und den jeweiligen Key Account Managern herangezogen. Die Weiterentwicklungen und Adaptionen der Entwicklungen erfolgen anschließend nach genauer Spezifikation der Kundenanfragen.