Produktionstechnisches Demonstrationszentrum für Lithium-Ionen- Zellen (DeLIZ)

Problemstellung
Für eine kosteneffiziente, qualitätsgesicherte, großserientaugliche und weltweit konkurrenzfähige Serienproduktion von großformatigen Lithium-Ionen-Zellen sind kurzfristig Kostensenkungspotenziale aufzuzeigen und innovative produktionstechnische Lösungen entlang der ge-samten Prozesskette schnell in einen serientauglichen Status zu überführen.

Zielstellung
Der Schwerpunkt des Forschungsprojektes lag auf der Produktionstechnik und Technologie-entwicklung für ausgewählte Teilschritte der Fertigung von Lithium-Ionen-Zellen (LIZ). Prozess-schritte mit hohem und kurzfristig zu erschließendem Kostensenkungspotenzial wurden bevor-zugt betrachtet. Prozessübergreifende Qualitätssicherungskonzepte für eine stabile Ferti-gungskette und ressourcen¬schonende Produktion begleiteten alle Forschungsarbeiten.

Vorgehensweise
Unter Leitung des Fraunhofer IWS arbeiteten von Mai 2010 bis Juni 2011 15 Wissenschaftler und 6 Techniker aus drei wissenschaftlichen Einrichtungen durchgängig an der Abarbeitung der verschiedenen Aufgabenstellungen. Schwerpunkte der Arbeiten des iwb der TU München waren der Aufbau einer Automatisierungslösung zum Konfektionieren, Handhaben, Stapeln und Fixieren der Einzelfolien im Trockenraum sowie in Kooperation mit dem Fraunhofer RMV die prozessübergreifende Qualitätssicherung. Die Arbeiten des ILK und des IWM der TU Dresden hatten die Evaluierung von Automatisierungslösungen für geometrisch unbestimmte Zellformen zum Inhalt. Das IOF der TU Dresden widmete sich gemeinsam mit dem Fraunhofer IWS der Thematik Konfektionieren mit gepulsten und kontinuierlich strahlenden Lasern sowie der Herstellung von stoffschlüssigen Al-Cu-Übergangskontakten (Zellverbinder). Das Fraunhofer IWS konzentrierte sich darüber hinaus auf den Beschichtungsprozess zur Elektrodenherstellung, das Verbinden der Al- und Cu-Folien untereinander und mit dem Ableiter, das Versiegeln der Folienpakete und auf die Konzipierung und den Aufbau einer Anlage zur Herstellung von Al-Cu-Zellverbindern durch Laser-Induktions-Walzplattieren.

Ergebnisse und Verwertung
– Konfektionieren der Elektroden und Separatoren
Die Forschungsarbeiten zum Konfektionieren konzentrierten sich im Projekt ausschließlich auf das schneidgasfreie Remote-Schneiden der Ausgangsmaterialien (Anode, Katode, Separator) mit gepulsten und brillanten cw-Lasern. Um mit dem Laser Schneidgeschwindigkeiten von mindestens 1 m/s zu realisieren, sind sowohl für gepulste (ns- und ps-) als auch für cw-Systeme Laserleistungen größer 50 W für den Separatorschnitt und größer 200 W für den Elektrodenschnitt notwendig.
– Energieeffiziente Elektrodenbeschichtung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren
Der Einsatz von Wasser als Lösungsmittel für die Elektrodenbeschichtung eröffnet durch einen vereinfachten Beschichtungsprozess ein großes Potential zur Kosteneinsparung. Durch die Vermeidung von Lösungsmittelemissionen reduzieren sich die investiven und laufenden Aufwände für den Gesundheits-, Arbeits- und Umweltschutz deutlich.
Handhaben, Stapeln und Fixieren der Einzelfolien
– Handhaben, Stapeln und Fixieren der Einzelfolien
Die Bildung und Fixierung des Zellstapels ist einer der entscheidenden wertschöpfenden Prozesse während der Zellherstellung. Basierend auf einer Nutzwertanalyse und einem methodischen Prozessvergleich wurde für geometrisch bestimmte Zellen das Z-Falten mit kontinuierlichem Separator und einzelnen Elektrodenfolien als das für die Umsetzung im Projekt zu evaluierende Zellbildungsverfahren identifiziert. Aufbauend auf den technologischen Voruntersuchungen zum Laserstrahlschneiden entstand eine separate vollautomatisierte Anlage zum Lasertrennen und Ablagern von Elektrodenzuschnitten in Magazinen.
– Fügen der Folienpakete mit minimalem Übergangswiderstand
Im Bereich des Fügens der Folienpakete konzentrierten sich die Arbeiten ausschließlich auf das Laserstrahlschweißen, welches im Gegensatz zum Ultraschallschweißen keine mechanische Belastung auf das Folienpaket ausübt. Abrieb von Beschichtungsmaterial und Ablagerung im Separator kann dadurch vermieden werden.
– Oberflächenaktivierung im Bereich Kontaktfahnen
Um eine hohe Haftfestigkeit, Dichtheit und Langzeitbeständigkeit zu gewährleisten, müssen die Kontaktfahnen im Bereich der Siegelung vorbehandelt werden. Im Projekt wurde die lokale Laser-Oberflächenbehandlung der Al-Kontakte (Ableiter) im Bereich des Versiegelbandes (ca. 5-6 mm breit) evaluiert. Die Behandlungszeit pro Ableiter beträgt ohne Positionierung ca.11s.
– Herstellung stoffschlüssiger Übergangskontakte aus Al-Cu
Im Hinblick auf die Verkürzung der Prozesszeit zum Verschalten von Lithium-Ionen-Zellen und die Sicherung langzeitstabiler leitfähiger Verbindungen war die Verfahrensentwicklung zum Ver-binden von Cu mit Al ein wesentlicher Forschungsschwerpunkt. Als innovativer Ansatz wurde die Herstellung von Al-Cu-Zellverbindern durch Laser-Induktions-Walzplattieren verfolgt.
– Konzeption und Aufbau einer Anlage zur Herstellung von Al-Cu-Zellverbindern
Weltweit erstmalig wurde im Projekt ein Anlagenkonzept zum Laser-Induktions-Walzplattieren realisiert, welches industrielle Ansprüche erfüllt. Mit der Anlage können Bandbreiten bis 150 mm bei Fügezonenbreiten bis maximal 30 mm gefügt werden. Für das Walzplattieren von Profilen werden einzelne Komponenten ausgetauscht.
– Prozessübergreifende Qualitätssicherungskonzepte
Die für die Qualität von Lithium-Ionen-Zellen relevanten Prozessparameter der Prozesskette wurden identifiziert und ihr Einfluss auf die Zellqualität bewertet. Partikel, Spritzer oder Kratzer auf der Elektrodenoberfläche sowie Grat (z.B. an den Schnittkanten) gilt es unter allen Umständen bei allen Prozessschritten zu vermeiden, um Kurzschlüsse auszuschließen. Um die konfektionierten Elektroden zu überwachen, wurde in den Elektrodenschneider ein Inspektionsmodul zur automatisierten Erkennung von Partikeln, Spritzern und Kratzern auf der Elektrodenoberfläche integriert.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• Technische Universität Dresden
• Technische Universität München