Innovative Gehäusekonzepte für großformatige Lithium-Ionen-Batterien

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.