Futavis GmbH

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Referat 523: Werkstoffinnovationen, Batterie; Hereon, 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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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. Ansätze des „Design for Assembly“ und des „Design for Manufacturing“ (DfA/DfA) finden derzeit kaum Berücksichtigung.
Aktuell basiert die Zellherstellung auf den konventionellen, bereits etablierten Zellbauformen (Pouch-Zellen oder Hardcase-Zellen). Für eine hohe spezifische Energie einer Lithium-Ionen-Batterie ist generell 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 nach aktuellem Stand der Technik weitestgehend unerforscht sind. Die Produktion und die Nutzung großformatiger Lithium-Ionen-Zellen sind weiterhin derzeit noch mit hohen Herausforderungen verbunden, die sowohl produktions- und montagetechnischer Natur sind, als auch die Sicherheit und die Kühlung des Zellstapels betreffen.

Im Fokus des Projekts InnoCase steht die Erforschung und Entwicklung neuartiger Gehäusekonzepte, welche die Vorteile herkömmlicher Gehäusetypen vereinen. Die beteiligten Produktionsprozesse sollen im Projekt ebenfalls (weiter-)entwickelt werden. Da großformatige Lithium-Ionen-Zellen erhöhte Anforderungen an die Zellauslegung stellen (Temperaturverteilung, Stromleitung über große Elektrodenflächen, Sicherheitseigenschaften), ist die numerisch gestützte Zellauslegung ein weiterer Projektschwerpunkt. Diese Herausforderungen werden im Projekt InnoCase in einem Konsortium aus Industrie und Forschung adressiert, das Partner entlang der gesamten Wertschöpfungskette von Lithium-Ionen-Zellen-Gehäusen beinhaltet. Im Fokus des Projekts InnoCase steht die Senkung der Herstellungskosten von Lithium-Ionen-Zellen durch die Erforschung und Entwicklung innovativer, großformatiger Gehäusekonzepte, welche die Vorteile herkömmlicher Gehäusetypen vereinen. Durch eine vereinfachte Zellmontage, die Substitution und Vereinfachung von Fügeprozessen und eine verbesserte Modulintegrierbarkeit, sind Einsparungen bei den Produktionskosten der Lithium-Ionen-Zellen zu erwarten. Die Festlegung der Elektrodenaktivmaterialien sowie des Separators und eines geeigneten Elektrolyten erfolgen bereits früh im Projekt, da hier auf Standardmaterialien zurückgegriffen wird. Innerhalb der Konzeptphase werden prototypische Zellen hergestellt, wobei nach zwei Projektjahren die Definition des finalen Zellkonzepts erfolgt. Von diesem Zelltyp werden im Anschluss Zellen produziert, die abschließend zu einem Modul assembliert werden. Die Validierung dieses Moduls, das auch über ein neu entwickeltes Batteriemanagementsystem (BMS) verfügt, stellt den Abschluss des Projekts dar. Projektübergeordnet wird eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchgeführt.

Batteriemodule mit großformatigen Batteriezellen werden zukünftig in zahlreichen Branchen, insbesondere aber im Elektromobilitätssektor, eingesetzt werden. Damit die deutsche Industrie in diesem aussichtsreichen Markt ihre Konkurrenzfähigkeit sicherstellen kann, ist das Projekt InnoCase von ausgesprochen hoher Wichtigkeit. 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 werden und die Wettbewerbsfähigkeit im wachsenden Markt der Elektromobilität und dem der stationären Energiespeicher sichergestellt werden. In zahlreichen Produktionsanlagen für Lithium-Ionen-Zellen kommen derzeit lasertechnische Installationen zum Einsatz, sodass hier von einem weiteren großen Potential ausgegangen werden kann. Neben einer Umsetzung der Forschungsergebnisse im PKW-Sektor ist ebenfalls eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den gesamten Automobilmarkt bzw. Elektromobilmarkt denkbar. Ein besonderer Mehrwert könnte für den Nutzfahrzeugsektor geschaffen werden, da die Energiespeicher im Vergleich zu PKW deutlich größer sind. Durch die Wirtschaftlichkeitsbewertung der großformatigen Zelle wird gewährleistet, dass das neue Zellformat eine realistische Kostenbewertung erfährt, was zur Marktakzeptanz beitragen kann. Darüber hinaus sollen durch die wirtschaftliche Betrachtung die Kosten des Zellformats hinsichtlich des gesamten Lebenszyklus aufgezeigt werden. Dies hilft potenziellen Anwendern, das Potential der Technologie abzuleiten und für ihre Anwendung in Betracht zu ziehen.

Innovative Gehäusekonzepte für großformatige Lithium-Ionen-Batterien

Herr Dr. Maximilian Wegener

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Manz AG

Das Ziel dieses Teilvorhabens ist die Erforschung und Entwicklung von Produktionsprozessen für die Herstellung von großformatigen Zellen, die die gesteigerten Anforderungen hinsichtlich der mechanischen, geometrischen und chemischen Anforderungen an großformatige Zellen erfüllen. Diese Anforderungen sollen einerseits die technischen Anforderungen der Automobilhersteller andererseits die wirtschaftlichen Anforderungen zum Einsatz in Automobilen ermöglichen. Ansätze zum Design-for-Manufacturing sollen genutzt werden und eine Reduzierung der durch die Zellmontage bedingten Produktionskosten um bis zu 15 % durch Vereinfachung der Montageabläufe und Skaleneffekte ermöglichen. Im Zuge dessen sollen Herstellungs- und Assembliertechnologien erforscht, entwickelt und teilweise demonstratorisch umgesetzt werden. Zusätzlich sollen diese Technologien konzeptionell erforscht und entwickelt werden, um die Technologie evaluieren zu können. Ziel ist es eine großformatige Lithium-Ionen-Zelle mit einem innovativen Gehäuse zu definieren. Die Herausforderung wird es sein, bereits vorhandene Produktionsprozesse auf die Bedürfnisse der Herstellungsprozesse für großformatige Zellen anzupassen. Hierzu müssen diese im ersten Schritt identifiziert sowie evaluiert werden. Somit ist es zwingend notwendig die speziellen Anforderungen an großformatige Zellen auszuarbeiten, um diese abschließend gezielt angehen zu können um praktikable Lösungsansätze zu finden, diese umzusetzen und final zu evaluieren.

Auf Basis der Anforderungsmanagements einer großformatigen Zelle, sollen die dort definierten Anforderungen durch ein neuentwickeltes Gehäusekonzept erfüllt werden. Dieses Konzept wird hinsichtlich Montierbarkeit bewertet und bei der Gestaltung der Zelle mitwirken. Aspekte zur Vereinfachung und Automatisierung der Produktion der Batteriezellen werden mit den Methoden „Design for Manufacturing (DFM)“ und „Design for Automation (DFA)“ erarbeitet. Durch eine angepasste Auslegung der Zelle können bereits bei der Zellherstellung Montageschritte vereinfacht bzw. substituiert werden, wodurch bei der Herstellung von Produktionsanlagen und bei der Produktion der Batteriezellen sowie der Batteriemodule die Kosten erheblich gesenkt werden. Durch gezielte Spezifizierung und Kostenanalyse entlang der gesamten Wertschöpfungskette sollen produktionskritische Prozess und Kostentreiber identifiziert werden. Hierzu werden die Einflüsse großformatiger Lithium-Ionen-Zelle auf die Fertigungsprozesse der Zellassemblierung (Notching/Schneiden, Laminieren, Stapeln, Heißpressen/Tapen, Tab Welding, Packaging und Befüllen) singulär betrachtet und deren Auswirkung auf die Anforderungen der Maschinen und Anlagen abgeleitet. Hieraus werden prozessseitige Limitierungen und Optimierungspotentiale identifiziert und Handlungsoptionen zur Befähigung der Fertigungsprozesse hinsichtlich Produktanforderungen und Produktionsgeschwindigkeit abgeleitet. Basierend auf den Handlungsoptionen werden Möglichkeiten zur Anpassung heutiger Maschinenkonzepte in Bezug auf die gestiegenen Anforderungen identifiziert und Maschinenkonzepte abgeleitet, die die Fertigung von großformatigen Lithium-Ionen-Zellen ermöglichen. Aufbauend auf der Identifikation von signifikanten Prozesseinflussgrößen zur Reduzierung von Ausschuss werden notwendige Inline- und andere Messsysteme konzeptioniert, um die Prozessstabilität (z. B. Hinsichtlich der Genauigkeit) bzw. die Produktqualität zu erfüllen, die für eine wirtschaftliche Fertigung von großformatigen Lithium-Ionen-Zellen notwendig ist.

Die Thematik des Vorhabens ist von höchster industrieller Relevanz, da bis jetzt ein großer Teil der eingesetzten Batteriesysteme auf Lithium-Ionen-Basis produziert wird und sich zunehmend herausstellt, dass diese Produkte den steigenden Anforderungen – besonders der europäischen Automobilhersteller – hinsichtlich Energiedichte nicht genügen. Um eine Steigerung der Energiedichte zu erzielen, sind große Anstrengungen aus Forschung und Industrie notwendig. Durch den Einsatz von großformatigen Zellformaten ist eine Steigerung der Energiedichte möglich. Der Markt von Maschinen- und Anlagentechnik für großformatige Lithium-Ionen-Zellen wird heutzutage nur unzureichend bedient und beschränkt sich größtenteils auf manuelle Lösungen, die aus produktionstechnischer Sicht aufgrund von wirtschaftlichen Gesichtspunkten und sicherheitstechnischen Aspekten ungeeignet sind. Die Nachfrage des Weltmarktes nach Maschinen zur Fertigung von großformatigen Batteriezellen wird in den kommenden Monaten und Jahren erheblich ansteigen, da die von der Industrie geforderten Quantitäts- und Qualitätsmerkmale mit aktuellen, kleineren Lithium-Ionen-Zellen nicht erreicht werden können. Für die Beibehaltung der Wettbewerbsfähigkeit des deutschen Maschinenbaus im Batteriesektor erscheint es dringend geboten, verbesserte und zukunftsträchtige Batteriezelltechnologien zu erforschen und zu entwickeln, um solche Anlagentechnik auf dem Markt anbieten zu können. Potenziale hinsichtlich Performance durch höhere Energiedichte und geringere Kosten können erschlossen werden. Neben dem Einsatzbereich Elektromobilität ist ein Einsatz auch in stationären Energiespeichern sowie Nischenmärkten denkbar.

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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]

Lithium-Ionen-Zellen werden als Speicher für elektrische Energie in vielfältigen Anwendungen eingesetzt. Die zellinternen Komponenten (Elektroden, Separatoren und Elektrolyt) sind von einem
Gehäuse umgeben, an das verschiedene Anforderungen gestellt 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.

Diese Herausforderungen großformatiger Lithium-Ionen-Zellen werden im Projekt InnoCase in einem Konsortium aus Industrie und Forschung adressiert, das Partner entlang der gesamten Wertschöpfungskette von Lithium-Ionen-Zellen-Gehäusen beinhaltet. Im Fokus steht die Erforschung und Entwicklung neuartiger Gehäusekonzepte, welche die Vorteile herkömmlicher Gehäusetypen vereinen. Da großformatige Lithium-Ionen-Zellen erhöhte Anforderungen an die Zellauslegung stellen (Temperaturverteilung, Stromleitung über große Elektrodenflächen, Sicherheitseigenschaften), ist die numerisch gestützte Zellauslegung ein weiterer Projektschwerpunkt.

Für eine hohe spezifische Energie einer Lithium-Ionen-Zelle ist ein möglichst großes Verhältnis zwischen der gespeicherten Energie und der Gehäusemasse elementar. Dies kann insbesondere durch großformatige Gehäusekonzepte realisiert werden.

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ElringKlinger AG

Corporate Communications

Auslegung Zelle

Herr Dr. Mathias Widmaier

Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH

Trumpf Laser- und Systemtechnik AG

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Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

Presse und Kommunikation

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Lehrstuhl für Production Engineering of E-Mobility Components

Presse und Medien

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Lehrstuhl für Production Engineering of E-Mobility Components

Herr Prof. Dr. Günther Schuh

Prof. Dr.

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Werkzeugmaschinenlabor

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Werkzeugmaschinenlabor

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.

Laufzeit	01.02.2019 - 31.07.2022
Ausführende Stelle	Futavis
Standort	Aachen
Fördersumme	188.231,00 €
Projektvolumen	k. A.
Fördergeber	BMFTR