Erforschung von Maßnahmen zur Steigerung der Material- und Prozesseffizienz in der Lithium-Ionen-Batteriezellproduktion über die gesamte Wertschöpfungskette

Der Markt von Maschinen- und Anlagentechnik für das Pouch-Backend wird heutzutage nahezu ausschließlich von asiatischen Unternehmen bedient. Es gibt eine Vielzahl von chinesischen Unternehmen, die ausschließlich den Low-cost-Markt bedienen und eine entsprechend geringe Qualität liefern. Diese Maschinen und Anlagen benötigen eine Vielzahl von manuellen Tätigkeiten, die aufgrund von wirtschaftlichen Gesichtspunkten und sicherheitstechnischen Aspekten nicht für den Einsatz in Deutschland geeignet sind. Die 18650/21700-Wickler werden ebenfalls von asiatischen Herstellern hergestellt.

Weitere europäische oder deutsche Unternehmen, die diese Anlagen auf dem freien Markt anbieten und damit zugänglich für Automobilhersteller machen, gibt es nicht. Da die asiatischen Lösungen sogar bei hohen Stückzahlen eine hohe Anzahl an manuellen Schritten beinhalten, fallen diese bei einer Variantenfertigung noch höher aus. Ein hoher Automatisierungsgrad und damit die Möglichkeit einer kompetitiven Variantenfertigung in Deutschland existiert nicht.

Daher wollen im Rahmen von diesem Teilprojekt die folgenden Ziele adressiert werden:

1. Pouch-Zellfertigung bzw. -assemblierung: Ziel ist eine Formaterweiterung zur Fertigung von hochqualitativen Pouch-Zellen, welche die technischen Anforderungen an heutige und zukünftige Anforderungen an Lithium-Ionen-Zellen, insbesondere durch die E-Mobilität getrieben, erfüllen können sowie höhere Produktionsgeschwindigkeiten, Qualität und Materialflussoptimierungen, um die wirtschaftlichen Anforderungen zu erfüllen, die bereits heutzutage von den Automobilherstellern und -zulieferern gestellt werden und auch zukünftig weiter steigen werden.

2. 18650/21700-Wickler: Ziel ist die Erforschung, die Entwicklung und der anschließende Aufbau eines demonstratorischen 18650/21700-Wicklers mit einer Ausbringung von bis zu 25 Zellen pro Minute, um die Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung von 18650/21700-Zellen weiter zu verbessern.

3. Konzeptionierung einer kompetitiven Variantenfertigung in Klein- und Mittelserien

Für eine kompetitive Variantenfertigung sollen Konzepte und Prozesse entwickelt werden, die trotz einer hohen Automatisierung eine wirtschaftliche Batteriezellfertigung am Standort Deutschland ermöglichen.

Die wesentlichen wissenschaftlich-technischen Inhalte adressieren die kontinuierliche Verbesserung der Anlagentechnik für die von ihr am Weltmarkt angebotenen und verkauften Anlagen zum Wickeln und für die Pouch-Zellfertigung. Die Ergebnisse werden zur kontinuierlichen Verbesserung der Produktqualität der Maschinen- und Anlagentechnik im Produktportfolio genutzt werden.

Hierzu werden die folgenden Arbeitsschwerpunkte im Rahmen des Projektes adressiert:

• Zellspezifikationen für Pouch-Zellen und deren Evaluierung und Bewertung

• Identifikation von wettbewerbssensitiven Produktionsprozessen für Pouch-Zellen und Ableiten von Optimierungspotenzialen und Erschließung von diesen

• Zellspezifikationen für Rundzellen und deren Evaluierung und Bewertung

• Identifikation von wettbewerbssensitiven Produktionsprozessen für Rundzellen und Ableiten von Optimierungspotenzial und Erschließung von diesen

• Forschung und Entwicklung zur Flexibilisierung einer Batteriefertigung mit dem Ziel einer kompetitiven Variantenfertigung

Die Thematik des Vorhabens ist von höchster industrieller Relevanz, da bis jetzt ein großer Teil der eingesetzten Batteriesysteme für den automobilen Einsatz gewickelte Zellen (Tesla/Panasonic) sind und sich zunehmend herausstellt, dass diese Produkte den steigenden Anforderungen – besonders der europäischen Automobilhersteller – nicht bzw. noch nicht genügen. Daneben werden mit Rundzellen auch Applikationen wie Power-Tools adressiert. Zudem sind weitere Reduzierungen der Kosten und weitere Skalierung der Technik notwendig.

Für Pouch-Zellen sind neben dem Automobilsektor auch der 3C-Markt (Computer, Communication und Consumer Electronics) relevante Absatzmärkte. Neben den Anforderungen hinsichtlich Produktionsgeschwindigkeit und -kosten ist daher für eine wirtschaftliche Batteriefertigung in Deutschland eine hohe Flexibilität und damit Formatvielfalt notwendig.

Die Nachfrage des Weltmarktes nach Maschinen zur schnellen Fertigung von zylindrischen Zellen und Pouch-Zellen ist in den vergangenen Monaten erheblich angestiegen, da die von der Industrie geforderten Quantitäts- und Qualitätsmerkmale mit aktuellen Zellassemblierungskonzepten nicht erreicht werden können. Die Manz AG wird nach Erreichen der Ziele diese Anlagentypen, einen 18650/21700-Wickler sowie eine Pouch-Zellen-Fertigung einer weiteren Optimierung unterziehen und gegenüber dem Vorhabenergebnis mit Automatisierung und In-line-Qualitätskontrolle ergänzen und kommerziell vermarkten.