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Forschungsziel: Im Verbundprojekt befassten sich mehrere Partner aus Industrie und Forschung mit produktionstechnischen Fragestellungen entlang der Prozesskette zur Herstellung von großformatigen Lithium-Ionen-Zellen für Elektrofahrzeuge. Dabei standen industriell einsetzbare Verfahren und Anlagen für die Prozessschritte Fügen der Zellableiter, Verpacken des Zellstapels im Gehäuse und Füllen der Zelle mit Elektrolyt sowie dem anschließenden Abdichten des Gehäuse im Fokus der Betrachtungen. Ein weiterer wichtiger Aspekt war die Qualitätssicherung in jedem einzelnen Schritt. Durch Tests an mit der entwickelten Anlagentechnik hergestellten Zellen wurden die einzelnen Prozessschritte bewertet und Verbesserungsmaßnahmen abgeleitet.
Dr.-Ing. Uwe Krause
+49 721 608-31430
uwe.krause@kit.edu
Problemstellung
ProLIZ baut auf den Erkenntnissen des im Rahmen des Konjunkturpaketes II geförderten Projektes DeLIZ auf (Projektende: 30.06.2011). Ergebnis von DeLIZ war die forschungsseitige Untersuchung und Entwicklung von Fertigungsprozessen und -systemen zur Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen. Dabei wurde die Prozesskette bis zur Bildung des Zellstapels mit seriennaher Anlagentechnik für die Massenproduktion umgesetzt. Für die weiteren Prozessschritte, vom Fügen der Ableiter bis zur Inbetriebnahme der fertigen Zelle bestand Handlungsbedarf. Die Ergebnisse waren wichtige Voraussetzung für die Untersuchung der Qualitätseinflüsse von Prozessschritten sowie der Wirtschaftlichkeit noch eine geschlossene, vollständige Prozesskette an einem Standort.
Projektziele
Die produktionstechnische Forschung für Hochenergie-Speicherzellen befasst sich mit den jeweiligen Produktionsprozessen, der für die Industrialisierung erforderlichen Anlagentechnik zur Umsetzung dieser Prozesse sowie mit den Aspekten der Qualitätssicherung. Zur Bewertung der Güte von technischen Lösungen müssen sowohl die Zellkosten als auch vor allem die Qualität der produzierten Zellen ermittelt werden. Den erwarteten hohen Bedarf an kostengünstigen und leistungsfähigen Energiespeicherzellen kann die Industrie nur mit wirtschaftlich automatisierten Lösungen decken. Deshalb diente das Vorhaben ProLIZ der Entwicklung und Umsetzung von wirtschaftlicher, industrienaher Produktionstechnik für Hochenergiespeicherzellen mit dem Ziel einer funktionsfähigen Zelle am Ende der Prozesskette. Folgende Teilziele standen im Fokus des Projekts:
(a) Definition eines Zellformates, das den Ansprüchen der Automobilindustrie gerecht wird und in der Industrie Einsatz finden kann.
(b) Entwicklung wirtschaftlicher Prozesse, die über ein hohes Maß an industrieller Reife verfügen.
(c) Vervollständigung der Prozesskette aus DeLIZ, um die forschungsseitige Zellproduktion an einem zentralen Standort zu ermöglichen.
(d) Sicherung der Funktionsfähigkeit und der Qualitätseigenschaften der produzierten Zellen.
Vorgehensweise
Das Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung von mittelfristig in die Industrie übertragbaren Technologien zur Zellbildung und -montage. Produktseitig orientierte sich das Vorhaben an auf dem Markt verfügbaren Materialien für Lithium Ionen Energiespeicher. Das Vorhaben gliederte sich in vier Arbeitspakete:
(a) Arbeitspaket 1 beinhaltet die Anforderungsklärung und Gestaltung einer Demonstrationszelle, die im Rahmen dieses Vorhabens hergestellt wird. Diese wird sich an einem gängigen Format im Automobilsektor orientieren (Prismatische Hardcase-Zelle).
(b) In Arbeitspaket 2 werden die Prozesse zur Zellherstellung, aufbauend auf Arbeitspaket 1, konzeptioniert. Dies umfasst sowohl die grundsätzliche Auswahl von Verfahrensalter-nativen (z.B. Laserstrahl- oder Ultraschallschweißen) als auch die speziellen Prozesseigenschaften.
(c) Arbeitspaket 3 dient der Umsetzung der Prozesse in Anlagenmodule und der Integration der gesamten Herstellungskette in ein Linienkonzept mit produktionsnahen Montage- und Fertigungsplätzen.
(d) Die Arbeiten in Paket 4 befassen sich mit der Qualitätssicherung während der Produktion. Dazu gehört sowohl die Kontrolle der Prozessgrößen in jedem Schritt als auch die Entwicklung von Methoden zur Fehlererkennung. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf dem Einsatz von thermographischen Methoden.
Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Ausgangspunkt für dieses Forschungsprojekt war das im Rahmen von DeLIZ aufgebaute Demonstrationszentrum zur Fertigung von Lithium-Ionen-Zellen. Die Verwertung der Forschungsergebnisse aus DeLIZ in Form einer im Vorserienmaßstab und unter realen Prozessbedingungen gefertigten und funktionsfähigen Lithium-Ionen-Zelle lag in Reichweite. Im Rahmen dieses Projekts wurde durch die Vorgabe eines Zelldesigns und dessen Fertigung ein industrienaher Transfer der bisherigen Erkenntnisse angestrebt. Dieses Vorgehen erlaubte nunmehr die Validierung der gefertigten Zellen am technologischen Standard. Insbesondere die Rückführung der Qualität der gefertigten Zellen und deren elektrochemische Eigenschaften, beispielsweise auf die Prozessparameter der Montageanlagen, der Parametrierung der Laserschneid- und Fügeverfahren sowie der eingesetzten Sensoren und Qualitätssicherungsverfahren, hat wertvolle Erkenntnisse für die Optimierung der Fertigungsverfahren und -anlagen geliefert.
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