Pulveraufbereitung und Fertigungsprozesse (ProLiBat)

Problemstellung:
Die Batterie ist das Schlüsselelement für neue Fahrzeugtechnologien wie Hybrid- oder Elektrofahrzeuge. Die frühzeitige Verfügbarkeit leistungsstarker, sicherer und bezahlbarer Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien in hohen Stückzahlen ist für die Entwicklung von Elektroautos entscheidend. Es gibt derzeit in Deutschland nur wenig Know-how zur Massenfertigung großformatiger Lithium-Ionen-Batterien für automobile Anwendungen. Um die Wettbewerbsfähigkeit des Standortes Deutschland in diesem Zukunftsfeld nachhaltig zu sichern, ist der Aufbau von Kompetenzen im Bereich Produktionstechnologien für die industrielle Fertigung großer Lithium-Ionen-Batterien dringend notwendig.
Ziele:
Ziel des Vorhabens war die Etablierung einer kompletten modular aufgebauten Forschungslinie für die vorindustrielle Fertigung flacher Lithium-Ionenzellen mit Foliengehäuse im Pilotmaßstab von der Partikelvorbehandlung über die Elektrodenbeschichtung und Zellmontage bis hin zur Formation für die Fertigung von 1 ¿ 2 Ah Musterzellen. Neben der Spezifizierung von Anlagen und dem Aufbau der Prozesskette mussten qualitätsrelevante kritische Prozessschritte im gesamten Prozessverlauf ermittelt werden. Die Anlagen sollten so ausgelegt werden, dass das Zelldesign (Rundwickel, laminiert gestapelt, prismatisch gewickelt) später möglichst frei wählbar ist, um in Zukunft Auswirkungen auf Sicherheit und Gasungsverhalten für unterschiedliche Zelldesigns bei gleicher Zellchemie untersuchen zu können. Wechselwirkungen zwischen einzelnen Prozessparametern und Zelluniformität bzw. Performancedaten sollten ermittelt werden und Lösungsansätze zur Optimierung der Prozesskette vorgeschlagen werden.
Vorgehensweise und Ergebnisse:
Im Rahmen des Projekts wurden die einzelnen Fertigungsschritte (Pulvervorbereitung, Elektrodenbeschichtung, Schneiden, Stapeln, Befüllen, Verschließen) für die Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen erarbeitet und evaluiert. Um die im Rahmen dieses Projekts erarbeiteten Prozesse in der Zukunft weiter entwickeln und auch auf andere Materialkombinationen oder Zelldesigns umsetzen zu können, wurde beim Aufbau der Fertigungsprozesse großer Wert auf einen modularen Aufbau und den später möglichen Austausch einzelner Anlagenteile gegen Neuentwicklungen Wert gelegt. Es wurden detaillierte Anforderungsprofile für die Anlagenteile erarbeitet und umgesetzt. So wurde z.B. eine neue Stapel/Wickelmaschine für die Herstellung von Elektrodenstacks konzipiert und in Betrieb genommen. Auf eine Laminierung zwischen Elektroden und Separator kann hier verzichtet werden.
Es wurden Musterzellen mit verschiedenen Schichtabfolgen im Flachzelldesign hergestellt und hinsichtlich ihres elektrischen Verhaltens eingehend charakterisiert. Auf Basis der ermittelten Daten konnten weitere Optimierungspotenziale ermittelt und Vorschläge für eine weitere Erhöhung von Energiedichte und Leistung erarbeitet werden.
Da Wert auf einen modularen Aufbau gelegt wurde und die Prozessschritte zunächst alle einzeln erarbeitet werden mussten, sind die Anlagen nicht direkt miteinander verknüpft. Darüber hinaus wurde aber auf eine möglichst vollständige Datenerfassung und Rückverfolgbarkeit der Einzelzelle über den gesamten Fertigungsprozess Wert gelegt. Ein Datenerfassungs- und Datenbanksystem inklusive Materialdatenbank für die Ausgangsmaterialien wurde konzipiert und in den Testbetrieb genommen.
Bei den Prozessschritten wurden eine Reihe von qualitätsrelevanten Vorgängen beim Schneiden, Trocknen, Ableiter kontaktieren und in der Elektrolytbefüllung identifiziert und verbessert. Insbesondere wurden Maßnahmen getroffen, um Lithiumdendritenbildung an den Ableiterkontakten zu reduzieren. Als besonders kritisch für die Lebensdauer der Zellen erwiesen sich die Balancierung der Elektroden aufeinander und die Ableitergeometrie. Mit Hilfe von Referenzelektrodenmessungen innerhalb der Pouchzelle konnten die Beiträge der Einzelelektroden zur Zellspannung detailliert untersucht und eine optimale Balancierung erzielt werden. Die Referenzelektrodenmessungen führen zu einer deutlichen Verkürzung von Entwicklungszeiten und zu einer deutlichen Materialeinsparung, da aufwändige Einzelkapazitätstests der Elektroden vermieden werden können.
Verwertung
Das Projekt bildet die Basis für zukünftige Weiterentwicklungen sowohl in der Elektrodenherstellung neuer Aktivmaterialien als auch in der Entwicklung neuer Fertigungsverfahren für Zellen mit höherer Energiedichte und Leistung. Die Weiterentwicklung von Batteriesystemen ist eine Voraussetzung für den Durchbruch der Elektromobilität.
Mit dem Aufbau dieser Technikumslinie für Flachzellen mit allen Prozessschritten wurde eine Plattform für weitere Forschungs- und Entwicklungsprojekte im Bereich Industrialisierung von Lithium-Ionen-Zellen geschaffen. Die gewonnenen Erkenntnisse und Ergebnisse fließen direkt ein in weitere Entwicklungsprojekte sowohl mit Anlagenbauern als auch mit Materialherstellern und Zellherstellern. Das ZSW ist eng eingebunden in ein Netzwerk industrieller Partner und Forschungseinrichtungen. Es verfügt damit über die notwendigen Kontakte, um weiterführende Kooperationen zur Umsetzung viel versprechender Ansätze zu initiieren. Die Ergebnisse können insbesondere von den folgenden Industriezweigen sinnvoll genutzt werden: Endnutzer von Zellen (Automobilindustrie), Batteriesystem-hersteller/entwickler, Zellhersteller, Materialhersteller, und Anlagenbauer.

• Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)