Integriertes Fertigungskonzept für advanced automotive Batteries (iFaaB)

Problemlage
Das im Rahmen der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE) entwickelte Ziel, Deutschland zum Leitanbieter und Leitmarkt bis 2020 für die Elektromobilität zu machen, ist nur erreichbar, wenn es gelingt, die komplette Wertschöpfungskette für die Batterieproduktion in Deutschland im Sinne einer kommerziellen Großserienfertigung abzubilden. Im Gegensatz zu Li-Ionen-Zellen für vollelektrische Fahrzeug (EV)-Anwendungen stehen in Deutschland bisher keine wettbewerbsfähigen Lithium-Ionen-Zellen, inklusive der entsprechenden Komponenten und Herstellverfahren zur Verfügung, die Grundlage einer Plug-In Hybridfahrzeug (PHEV)-Serienfertigung sind.
Plug-In Hybridfahrzeuge sollen das Anwendungsfenster für Elektrofahrzeuge erweitern und somit entscheidend zur Zielerreichung der Verbreitung elektrischer Antriebe in 2020 beitragen.

Projektziele
Ziel des Projektes war es, neue, auf eine PHEV Plattform abgestimmte ausgewählte technologische Entwicklungsansätze entlang der Wertschöpfungskette zu untersuchen.
F& E Schwerpunkte dabei sind:
– die Untersuchung neuartiger Prozesstechnologien und Fertigungsverfahren für das Gesamtsystem „Zelle“
– die Untersuchung materialwissenschaftlicher Aspekte für das Gesamtsystem „Zelle“
– die Entwicklung von Inline-Messtechniken zur Charakterisierung von Komponenten und Zellen
– die Entwicklung von erweiterten Produkthygienekonzepten für die Komponenten- und Zellfertigung
Mit Abschluss des Verbundprojekts sollte auf dem Gebiet der Zelltechnologie ein wegweisender wissenschaftlicher Beitrag mit Praxisbezug zur Etablierung der Elektromobilität mit hohem Wertschöpfungsanteil in Deutschland geschaffen werden.
Es sollte eine funktionsfähige Zelle als Demonstrator zur Verfügung stehen, auf deren Basis eine Entscheidungsgrundlage für eine zukünftige Serienfertigung erarbeitet werden kann.

Vorgehensweise
Innerhalb des Projektes hat der Komponentenhersteller Evonik Litarion GmbH ein „Baukasten“ entwickelt, der es ermöglicht, für die nächste Fertigungsstufe bei der Li-Tec Battery GmbH Elektroden und/oder Separatoren maßgeschneidert auf die im Projekt entwickelte Zelltechnologie zur Verfügung zu stellen. Dies beinhaltete auch die Bereitstellung neuer Inline-Messtechnik sowie Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet des Umformens von Gehäusebauteilen und das Vereinzeln von Elektroden- und Separatorbahnen. Diese Arbeiten wurden von der Daimler AG jeweils in Verbindung mit den in der Prozesskette arbeitenden Partnern Litarion und Li-Tec durchgeführt. Die Li-Tec Battery GmbH entwickelte in diesem Zusammenhang Konzepte für Gehäuse und Deckelkonfigurationen, die nicht nur fertigungstechnisch sondern auch auf dem Gebiet der Sicherheitstechnik grundlegende Fragestellungen klären sollten. Die beteiligten Universitäten schafften durch Grundlagenuntersuchungen entlang der Prozesskette ein wissenschaftliches Grundverständnis der ablaufenden Prozesse im Speziellen und der Wechselwirkungsmechanismen im Allgemeinen, so dass einerseits der heutige allgemeine Wissensstand wesentlich erweitert wurde und andererseits den Industriepartnern wichtige Informationen zur Weiterentwicklung ihrer Prozesse geliefert wurden.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Die Ergebnisse des Projektes sind:
– Entwicklung von Rezepturen und Herstellprozessen für Zellkomponenten für PHEV-Anwendungen und Stationärspeicheranwendungen mit vergleichbaren Anforderungen
– Herstellungskonzepte für die Serienfertigung von Zellen und Komponenten für PHEV-Anwendungen
– Entwicklung und Erprobung von Inline-Messtechnik und Anlaysemthoden entlang der Prozesskette
– Untersuchung und Verständnis von Material- und Gefügeänderungen von Ableiterfolien abhängig von der Prozessführung
Die wirtschaftlichen und technisch-wissenschaftlichen Erkenntnisse haben aufgrund des mit dem Vorhaben verbundenen hohen Forschungsaufwands und -risikos daher folgerichtig eher mittel- bis langfristigen Charakter. Kurzfristig konnte für den Standort Deutschland die technisch-wissenschaftliche Grundlage für eine wirtschaftliche industrielle Produktion solcher, auf die Anwendung der auf PHEV und vergleichbaren Stationärspeicher angepassten Speichersysteme, gelegt werden. Davon können insbesondere auch mittelständische Unternehmen des Anlagen- und Sondermaschinebaus profitieren.
Die Projektbeteiligten können die gewonnenen Erfahrungen und die im Zuge dessen erarbeiteten Technologien, über einen langfristigen Zeitraum für die Weiterentwicklung von Komponenten- und Zellsystemen nutzen. Somit ist zusätzlich zum langfristig angelegten Nutzengewinn des Forschungsvorhabens ein Technologieschub für die nächsten Jahre gegeben. Weiterhin sollen die Projektergebnisse auch dazu dienen, die Forschungsschwerpunkte der beteiligten akademischen Partner auf dem Gebiet der elektrochemischen Speichertechnologie weiter auszubauen. Das schließt auch Fragen der wissenschaftlichen Aus- und Weiterbildung ein.
Die im Rahmen des Projektes erreichten Ziele haben zu einem deutlich verbesserten Produkt- und Prozessverständnis geführt und werden demzufolge zu innovativen Produktentwicklungen und Produktverbesserungen der Speichertechnologie führen, was wiederum dazu beiträgt technologisch an asiatische Zellhersteller aufzuschließen. Dies gilt insbesondere für den Bereich der Produktqualität, der Materialausnutzung sowie der Gesamtkosten.
Die Ergebnisse können zudem dazu beitragen, die Kosten für die Herstellung der Komponenten und damit auch der daraus hergestellten Zellen und Batterien zu senken. So helfen die Projektergebnisse, die Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands bei der Elektrifizierung des Antriebsstranges zu verbessern.

• Litarion GmbH
• Li-Tec Battery GmbH
• Mercedes-Benz AG
• Technische Universität Braunschweig
• Technische Universität Dresden
• Universität Münster