Innovative Gehäusekonzepte für großformatige Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Zellen sind die Schlüsselkomponente für einen Erfolg der Elektromobilität. Die zellinternen Komponenten sind von einem Gehäuse umgeben, an das vielfältige Anforderungen gestellt werden. So ist das Zellinnere von äußeren Einflüssen zu schützen und gleichsam der Schutz vor Austritt der zellinternen, zum Teil giftigen und brennbaren Stoffe unerlässlich. Zudem muss das Zellgehäuse die Kühlfunktion übernehmen, Anforderungen bzgl. der Modulintegrierbarkeit erfüllen und möglichst kostengünstig und aufwandsarm fertigbar sein. Für eine hohe spezifische Energie einer Lithium-Ionen-Batterie ist zusätzlich ein möglichst großes Verhältnis zwischen der gespeicherten Energie und der Gehäusemasse, sowohl auf Zell-, als auch auf Modulebene elementar. Dies kann insbesondere durch großformatige Gehäusekonzepte realisiert werden. Die Produktion und die Nutzung großformatiger Lithium-Ionen-Zellen sind derzeit noch mit hohen Herausforderungen verbunden, die sowohl produktions- und montagetechnischer Natur sind, als auch die Sicherheit und die Kühlung des Zellstapels betreffen.

Für das Teilvorhaben der Technischen Universität München (TUM) ergeben sich durch die beiden beteiligten Institute/Lehrstühle (Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften iwb und Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik EES) und die damit abgedeckten thematischen Schwerpunkte zwei wesentliche Gesamtziele. Das EES adressiert die simulationsgestützte Auslegung der großformatigen Lithium-Ionen-Zellen in Bezug auf die elektrischen, thermischen, mechanischen und sicherheitstechnischen Eigenschaften. Dabei erfolgt in enger Abstimmung mit den Projektpartnern eine simulationsbasierte Bewertung und Absicherung des gewählten Gehäusekonzeptes. Basierend auf elektrischen und thermischen Modellen wird das Zellverhalten für verschiedene Kühlstrategien simuliert. Außerdem soll durch eine simulationsgestützte Nutzungsgradanalyse ein optimiertes Elektrodendesign gefunden werden.

Als zweiter Partner der TUM widmet sich das iwb unter Nutzung von optimierter Füge- und Montageprozesse der Produktion der großformatigen Lithium-Ionen-Zellen. Die Befähigung von Laser-basierten Fügeprozessen für die Zellproduktion bildet zusammen mit der Erstellung, Bewertung und Implementierung von Montagekonzepten für das neu entwickelte Zell- und Gehäusedesign das technische Grundgerüst. Darauf aufbauend sollen funktionsfähige Demonstratorzellen für die Assemblierung eins Moduls gefertigt werden.

Das Teilvorhaben „Auslegung, Sicherheit und Produktion von großformatigen Lithium-Ionen-Zellen mit innovativem Gehäusekonzept“ beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit den produktionsseitigen Aspekten eines Batteriespeichers, der aus großformatigen Zellen besteht. Dazu gehört die Mitarbeit in den Arbeitspaketen, die sich mit der Auslegung der Zelle beschäftigen, da sicherheitstechnische Anforderungen aber auch Anforderungen seitens der Produktion im Zelldesign berücksichtigt werden müssen. Die sicherheitsrelevanten Herausforderungen werden durch elektrochemisch-thermische Simulationen untersucht. Die Produktion umfasst sowohl montagetechnische als auch fügetechni-sche Prozesse. Im hier beschriebenen Teilvorhaben werden montagetechnische Aspekte durch De-sign-for-Assembly-Ansätze umgesetzt. Neben der Mitarbeit in der Auslegung erfolgen im beschrie-benen Teilprojekt experimentelle Untersuchungen im Bereich der Fügetechnik. Dazu gehören Versuche zum Schweißen der Stromkollektorfolien und der Gehäusekomponenten. Schließlich bildet die Produktion der großformatigen Batteriezellen den Hauptschwerpunkt des Teilvorhabens. Die zuvor evaluierten Füge- und Montageprozesse müssen dafür anlagentechnisch umgesetzt sein. Dies geschieht durch Anpassung der vorhandenen Anlagentechnik in Zusammenarbeit mit den Konsorti-alpartnern. Durch die Auswahl und Integration geeigneter Prüfprozesse soll eine Qualitätssicherung in der Zellmontage implementiert werden. Die Produktion wird dabei in mindestens zwei Chargen erfolgen, um Erfahrungen zu nutzen und Verbesserungen an der Anlagentechnik umzusetzen.

Batteriemodule mit großformatigen Batteriezellen werden zukünftig in zahlreichen Branchen, insbesondere aber im Elektromobilitätssektor, eingesetzt werden. Im Projekt InnoCase werden Erkenntnisse im Bereich der Produktionstechnik von großformatigen Batteriezellen erarbeitet, die einen wesentlichen Beitrag für den Erfolg der Elektromobilität haben werden. Damit die deutsche Industrie in diesem aussichtsreichen Markt ihre Konkurrenzfähigkeit sicherstellen kann, ist das Projekt InnoCase von ausgesprochen hoher Wichtigkeit. Die im Projekt aufgebaute Anlagentechnik soll am iwb weiterverwendet werden, um die erzielten Ergebnisse auf andere Batterieformate zu übertragen. Das iwb beabsichtigt langfristig ein weiterhin starkes Engagement im Bereich der Produktion großformatiger Batteriezellen, auch mit Blick auf neue Zellchemie, z.B. Festkörperbatterien mit Lithium-Anode. Daher werden die entwickelten Verfahren für die weiterführende Forschung an innovativer Zellproduktion eingesetzt. Das EES wird durch die anwendungsnahe Forschung und die Etablierung der Modellbildung einen Erkenntnisgewinn auf dem Gebiet der Batterietechnologie erlangen. Der Entwicklung maßgeschneiderter Zelldesigns sowohl aus Materialperspektive als auch aus Sicht des Betriebsfensters wird ein hohes Potential beigemessen, welches dem Standort Deutschland im Bereich der Zelltechnologien einen deutlichen Vorteil verschafft. So kann v.a. durch computergestützte Entwicklung (Computer Aided Engineering) ein großer Fortschritt erreicht werden. Bei einer erfolgreichen Umsetzung kann dem Markt die Anlagentechnik, die sich für die Fertigung von größeren Zellen eignet, bereitgestellt werden. Weiterhin können optimierte Gehäuse für großformatige Zellen ausgelegt und deren Herstellbarkeit im Rahmen von Musterteilen bestätigt werden. Damit kann die Nachfrage aufgrund des technologischen Trends nach immer größer werdenden Zellen gedeckt und die Wettbewerbsfähigkeit im wachsenden Markt der Elektromobilität und dem der stationären Energiespeicher sichergestellt werden. In zahlreichen Produktionsanlagen für LIZ kommen derzeit lasertechnische Installationen zum Einsatz, sodass auch hier von einem weiteren großen Potential ausgegangen werden kann.