Produktionsforschung für Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien für Elektromobilität (ProLiEMO)

Problemstellung
In Deutschland gibt es gegenwärtig noch keine leistungsfähige Großserienfertigung von mit großformatigen Lithium-Ionen-Zellen bestückten Akkumulatoren. Dies bedingt auch das Fehlen einer Kompetenz im Bereich der Großserienfertigung für automobile und/oder stationäre Anwendungen, die auch in der Lage ist, die nächste Generationen von Lithium-Ionen-Batterien und deren nachhaltige Herstellung zu realisieren.

Projektziele
F/E-Schwerpunkte des Projektes waren u.a. die automatisierte Modulfertigung aus vorgefertigten Systemkomponenten, die effiziente, automatisierten Produktion von Li-Ionenzellen, die automatisierte Batteriebaugruppenfertigung und die Batteriefertigung von großformatigen Li-Ionen-Zellen. Außerdem wurden neue Qualitätssicherungssysteme und optimierte Peripherietechnologien, wie z.B. energieeffiziente Trockenräume mit bis zu 30 % Energieeinsparungspotenzial, untersucht. Entwicklungen erfolgten in den drei Themen:
– Neuartige, industrielle Fertigungstechnologien zur Herstellung von großformatigen Zellen und deren Komponenten
– Automatisierte Produktion von Zellen, Modulen, Batterien- und Batteriebaugruppen
– Neue Fertigungstechnologien für Hochleistungslithiumbatterien
Weitere Ziele ergaben sich aus dem Forschungsbedarf bzgl. einer energieeffizienten Fertigungs- bzw. Verfahrenstechnik und bei der Entwicklung der dazu notwendigen Maschinen- und Anlagentechnik. Angesichts der zunehmenden Verknappung und Verteuerung natürlicher Ressourcen wurde die Verbesserung der Ressourceneffizienz ebenfalls angestrebt. Im Einzelnen sind das:
– Anpassungsfähigkeit der Fertigungsausrüstungen an veränderte Produktionsaufgaben; kürzeste Neben- und Umrüstzeiten für die neuen Energiespeicher
– Modularität und Rekonfigurierbarkeit der Produktionssysteme
– Hohe Funktionsintegration verschiedener Produktionstechnotechnologien
– Flexibler Einsatz vorhandener Anlagenbestandteile und peripheren Einrichtungen

Vorgehensweise
Die Umsetzung dieser Ziele realisieren vier Partner, die sowohl die gesamte Wertschöpfungskette abbildeten, als auch alle produktionstechnischen Voraussetzungen erfüllten.
Die Evonik Litarion war für die Entwicklung, Herstellung und Optimierung der Elektroden und der Separatoren verantwortlich. Die Litarion liefert diese Komponenten an Li-Tec. Hinsichtlich der Herstellung prismatischer Pouchzellen, wurden die Prozessschritte Mischen, Dispergieren, Beschichten, Trocknen, Kalandrieren und Konfektionieren bei der Litarion abgedeckt.
Li-Tec für die Erforschung, Entwicklung und Herstellung der Zellen verantwortlich, die an die Deutsche Accumotive geliefert werden. Zur Herstellung der Pouchzellen ist Li-Tec für die nach dem Kalandrieren erforderlichen Verfahrenschritte von Rolle bis zur Zelle verantwortlich – so insbesondere vom Ausstanzen über das Stapeln, Kontaktieren und Formieren und Klassifizierung diverser Designs und Zelltypen, die im Projekt verfolgt werden sollen. Fokus und Ziel der F&E-Arbeiten war, eine qualitativ hochwertige automatisierte Produktion unterschiedlicher Zelltypen mit flexiblem Zelldesign zu erreichen. Darüber hinaus wurden auch neue Qualitätssicherungssysteme und Peripherietechnologien wie bspw. energiesparende Trockenräume mit bis zu 30 % Energieeinsparung entwickelt. Schließlich sollten Fertigungstechnologien erforscht und erprobt werden, die den Übergang von einer Kleinserienproduktion in die industrielle Großserienproduktion ermöglichen, um damit die Fertigung von Zellen im Millionen-Stück Maßstab unter Gewährleistung von Qualität und Versorgungssicherheit zu erreichen.
Die Deutsche Accumotive entwickelte ein Konzept für den modularen Aufbau der Li-Ionen-Batterie. So ist geplant, durch unterschiedliche Anordnung identischer Bauteile unterschiedliche Anforderungen im Automobil zu erfüllen. Die Umsetzung eines solchen Konzepts stellt hohe Anforderungen an die Entwicklung der jeweiligen Produktionsschritte, bietet jedoch zahlreiche Vorteile hinsichtlich unterschiedlicher Anforderungen im Fahrzeug. Die Modulstrategie auf Zell-Ebene erlaubt auch bei der Zellproduktion eine erhebliche Rationalisierung der Prozessschritte in der Montagelinie durch das Nutzen identischer Bauteile.
Ziel des Teilprojektes der Produktions- und Werkstofftechnik der Daimler AG war es, automobiltaugliche Batteriesystemkomponenten zu entwickeln und zu erproben. Im Einzelnen waren hierfür Neukonstruktionen und -entwicklungen bestehender Komponenten notwendig. Die F&E-Arbeiten adressierten Themen, die von einer geeigneten Materialauswahl für Batteriesysteme, über gezielte Prozessoptimierung bzgl. Serienproduktion bis zur flexiblen Anpassung der Fertigungsausrüstung einschließlich Standardisierung von Prüfvorschriften reichen.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Die deutlich höhere Leistungsdichte, wie sie für die Elektromobilität unabdingbar ist, stellt völlig neue Anforderungen an die Lebensdauer und die Sicherheitstechnik der aus diesen Zellen hergestellten Batterien. Die Herstellung von großformatigen, prismatischen Zellen hat gegenüber den heute im Konsumerbereich üblichen gewickelten Zellen besondere Vorteile bei der Konstruktion der Zellen und den daraus resultierenden Batterien. Sie stellt aber auch besondere Herausforderungen an die automatisierte Produktion der Komponenten und der Zellen. Grundvoraussetzung für einen langfristig angelegten Markterfolg der Elektromobilität ist die Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie in Richtung höherer Leistung, längerer Lebensdauer, verbesserter Sicherheit sowie vor allem geringerer Kosten. Die Großserienfertigung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit signifikant verbesserter Energie- und/oder Leistungsdichte ist die Voraussetzung für viele neue zukunftsweisende Produkte am Industriestandort Deutschland: Kraftfahrzeuge mit einem bedeutenden Anteil an elektrischer Traktion, wie Hybridfahrzeuge oder Fahrzeuge mit vollständigem Elektroantrieb, auch in Kombination mit einer Brennstoffzelle oder einem kleinen Verbrennungsmotor.

• Deutsche Accumotive GmbH & Co. KG
• Litarion GmbH
• Li-Tec Battery GmbH
• Mercedes-Benz Group AG