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μ-Rührreibschweißen zum Einsatz in der zellinternen Kontaktierung großformatiger Lithium-Ionen-Batteriezellen

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Grenzebach Maschinenbau GmbH

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Bundesministerium für Bildung und Forschung
Referat 511: Neue Werkstoffe, Nanotechnologie; KIT

Bundesministerium für Bildung und Forschung
Referat 523: Werkstoffinnovationen, Batterie; Hereon, KIT

Bundesministerium für Bildung und Forschung
Referat 525: Batterieforschung; KIT

Referat 525: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt Referat 525: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt

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Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich

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[verbundprojekt]

[Verbundprojekt]

Dieses Teilprojekt adressiert im Rahmen des Gesamtprojektes die Entwicklung von optischer Prüftechnik und konzentriert sich dabei auf zwei Themen:
1. Entwicklung von Prüftechnik zur zuverlässigen Beurteilung der Qualität der hergestellten Fügeverbindung durch die Identifikation von Prüfmerkmalen aus den aufgenommenen Messdaten. Damit kann sichergestellt werden, dass Bauteile mit einer unzureichenden Fügeverbindungsqualität sicher erkannt und ggf. aussortiert werden können. Außerdem stehen Oberflächendaten zur Identifikation von noch unbekannten Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen bereit.
2. Entwicklung von Prüftechnik zur Kontrolle innerhalb der Prozesskette. Hiermit ist gemeint, dass bereits vor der Verschweißung geprüft wird, ob eine Situation vorliegt, die die Ergebnisqualität des nachfolgenden Fügeprozesses negativ beeinflussen wird. Beispielhaft sei hier die Kontrolle der eingelegten Trägerfolien hinsichtlich eines ungültigen Überstands durch Toleranzen beim Stapeln oder die Überprüfung des Arbeitsbereichs auf Verunreinigungen genannt.

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Automation W + R GmbH

Optische Prüftechnik für das μ-Rührreibschweißen zur zellinternen Kontaktierung

Erium GmbH

pro-micron GmbH

Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist die Befähigung des μFSSW (Micro Friction Stir Spot Welding, dt.: Mikro-Rührreibpunktschweißen) für die zellinterne Kontaktierung von großformatigen Zellkörpern in einer Batterieproduktionsumgebung. Dazu gehört auch die gesamtheitliche Integration einer neuen Pilotanlage in die Batterieproduktionsumgebung, wofür die Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge innerhalb der Prozesskette analysiert werden. Somit ist es am Projektende möglich, durch das integrierte Schweißverfahren und durch die entwickelte Prozessüberwachung neuartige großformatige Lithium-Ionen-Batteriezellen prozesssicher zu fertigen.

Zunächst werden gemeinsam mit den Projektpartnern (Grenzebach Maschinenbau GmbH, Automation W+R GmbH, Erium GmbH, pro-micron GmbH, Volkswagen AG, ZwickRoell GmbH & Co. KG, MAG IAS GmbH) die Rahmenbedingungen und die Anforderungen im Projekt spezifiziert. Dabei wird unterschieden zwischen Anforderungen an das Produkt (Lithium-Ionen-Batteriezellen), an den Prozess (µFSSW) und an die Fertigungsumgebung (Trockenraum, Integrierbarkeit in die Prozesskette etc.). Anschließend wird der Prozess durch neue Schweißwerkzeuge und durch eine innovative Spannvorrichtung weiterentwickelt. Es werden Parameterstudien durchgeführt, um ein geeignetes Prozessfenster zu identifizieren und Erkenntnisse über die Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zu gewinnen. Zur Überwachung der Verbindungsqualität werden verschiedene Methoden erarbeitet, die sowohl eine Inline-Bewertung (Temperaturmessung) als auch eine Analyse nach dem Prozess (z. B. Oberflächentopologie) ermöglichen. Hierbei müssen auch Störgrößen, wie z. B. die Gratbildung, untersucht werden, um einen Einsatz in der Batterieproduktionsumgebung gewährleisten zu können.  

Anschließend wird eine von Projektpartnern entwickelte Pilotanlage zum µFSSW im Trockenraum am iwb integriert. Hiermit wird die übergeordnete Prozesskette der Batterieproduktion analysiert und die Schnittstellen zum Schweißprozess untersucht. Weitere Schweißversuche mit der neuen Pilotanlage dienen dazu, die quantitativen Verbindungeigenschaften, z. B. die mechanischen und elektrischen Eigenschaften, zu ermitteln. Als Letztes erfolgt die Modellierung mithilfe der gesammelten Daten des Prozesses und der Verbindungseigenschaften zur Ermittlung optimaler Fertigungsparameter. Eine Benchmark-Studie (Vergleich mit den alternativen Fügeverfahren Laser- und Ultraschallschweißen) ermöglicht eine abschließende Bewertung.

Im Rahmen des Forschungsprojekts wird das bestehende Wissen zum µFSSW für die zellinterne Kontaktierungen großformatiger Batteriezellen erweitert, wodurch ein Technologie-Reifegrad von 6 („Prototyp in Einsatzumgebung“) erreicht wird, und in die Industrie transferiert.
Zu den Vorteilen des μFSSW gehören die hohe Verbindungsqualität, die Prozessrobustheit, die Umweltfreundlichkeit, die hohe Automatisierbarkeit sowie der geringe Energiebedarf. Daneben weist das Verfahren das Alleinstellungsmerkmal der prozesszeitunabhängigen Schweißbarkeit großer Folienstapel auf. Damit kann insgesamt die ausschussarme und kosteneffiziente Produktion energiedichter Zellen ermöglicht werden und ein ressourcenschonender Materialeinsatz in der Produktion sowie eine effiziente Nutzung in elektrisch betriebenen Fahrzeugen. Die hohe Prozessrobustheit des Verfahrens erlaubt außerdem größere Fertigungstoleranzen der Ausgangswerkstoffe (z. B. Elektrodenfolien und Ableitertabs), was eine resiliente Produktion sowie eine Unabhängigkeit vom ausländischen Rohstoffmarkt ermöglicht. Durch die schnelle Fertigung neuartiger großformatiger Lithium-Ionen-Batteriezellen und durch das breit aufgestellte Projektkonsortium wird die Wettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen verbessert.

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Technische Universität München

Presse und Medien

Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften

Technische Universität München Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften

Herr Prof. Dr. Michael Zäh

Prof. Dr.

mukobatt

MuKoBatt

Laufzeit	01.11.2023 - 31.10.2026
Projektkoordination	Grenzebach
Standort	Asbach-Bäumenheim
Projektbeteiligte	Automation Erium TUM • iwb pro-micron
Fördersumme	2.567.952,00 €
Projektvolumen	k. A.
Fördergeber	BMFTR

Projekt

MuKoBatt

μ-Rührreibschweißen zum Einsatz in der zellinternen Kontaktierung großformatiger Lithium-Ionen-Batteriezellen

Projektbeteiligte

Teilprojekt 1

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

Grenzebach Maschinenbau GmbH

Teilprojekt 2

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

Automation W + R GmbH

Teilprojekt 3

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

Erium GmbH

Teilprojekt 4

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

pro-micron GmbH

Teilprojekt 5

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften

Förderung

Dieses Projekt ist Teil der Förderinitiative

SynBatt

Verbundprojektkoordination

Grenzebach Maschinenbau GmbH

Verbundprojektkoordinator*in