ZSW erweitert Produktionstechnologie für großformatige Lithium-Ionen-Zellen



Wie das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) mitteilte, arbeitet es seit Anfang des Jahres an einem Prozess für ultraschnelles und hochpräzises Einzelblattstapeln von Elektroden in Hochleistungsbatterien. Prismatische Batteriezellen mit Flachwickeln haben sich in der Praxis gut bewährt und sind bei der deutschen Automobilindustrie weit verbreitet für den Einsatz in Elektroautos. Künftig sollen die Elektrodenbänder in der Zelle anstatt gewickelt auch gestapelt werden.

Technik in Deutschland etablieren

Das spart Platz und hat einen homogeneren Zellaufbau zur Folge, der die Zelleigenschaften verbessert. Forschung und Industrie wollen diese erfolgversprechende Produktionstechnologie nun in Deutschland etablieren. Die Pilotfertigung für Lithium-Ionen-Zellen am ZSW in Ulm ist für die vollautomatische Assemblierung von prismatischen Zellen mit gewickelten Elektroden (im PHEV-1-Format) ausgelegt. Januar 2018 wurde sie im Rahmen des neuen Projekts „STACK“ um die aussichtsreiche Stapeltechnik erweitert.

Stapeln anstatt Wickeln der Elektroden hat bei rechteckigen Zellformaten wie den PHEV-1 Zellen einige Vorteile. Es führt zu einem sehr homogenen Aufbau des Zellstapels und einer besseren Raumausnutzung des Gehäuses („Hardcase“). Damit verbessert sich die Zellkapazität, Langlebigkeit und Sicherheit gegenüber gewickelten Lithium-Ionen-Zellen. Die Entwicklung eines ultraschnellen Herstellprozesses soll durch den Einsatz einer neuen Produktionsanlage und neuer Materialien erfolgen. Die Wissenschaftler am ZSW wollen mit einem High-Tech-Stapler und einem neuartigen Separator Muster-Zellen im industriellen Maßstab herstellen und evaluieren. Im Fokus steht der Vergleich von Wickelzellen mit Stapelzellen im PHEV-1-Format. Industriepartner des Vorhabens sind die Firmen Manz und Freudenberg.

Engpässe bei Lithium-Ionen-Zellen

„Durch den Boom bei der Elektromobilität gibt es derzeit große Engpässe in den weltweiten Produktionskapazitäten für Lithium-Ionen-Zellen“, betont Prof. Dr. Werner Tillmetz, ZSW-Vorstand und Leiter des Geschäftsbereichs Elektrochemische Energietechnologien. „Unsere Pilotfertigung bietet der Industrie eine einmalige Forschungsplattform zur Entwicklung eigener Herstellprozesse. Das neue STACK-Projekt ermöglicht Unternehmen, künftig auch die Stapeltechnik in ihr Portfolio zu nehmen und damit einen weiteren Schritt in Richtung kostengünstige Massenfertigung großformatiger Li-Ionen-Zellen zu leisten.“

Ein Nachteil des Einzelblatt-Stapelverfahrens ist aber der geringere Durchsatz bei den derzeit verfügbaren Anlagen für die Massenfertigung. Er liegt um den Faktor zwei bis sechs niedriger als beim Wickeln. Zusätzlich ist bei großformatigen Zellen aufgrund der Biegeschlaffheit der Materialien die notwendige Präzision beim ultraschnellen und hochpräzisen Stapeln der einzelnen Elektroden-Blätter eine enorme Herausforderung.

Verbesserte Durchsatzgeschwindigkeit

Ziel der Projektpartner ist es, diesen konkreten Nachteil nun zu kompensieren sowie verbesserte Zelleigenschaften gegenüber bisherigen Lithium-Ionen-Zellen nachzuweisen. Die ZSW-Wissenschaftler werden für die notwendige prozessbegleitende Analytik und Tests sowie für den vollautomatischen Zellenbau (Assemblierung) sorgen. Hier stehen eine verbesserte Durchsatzgeschwindigkeit und die Präzision im Fokus. Diese Faktoren entscheiden über Herstellkosten und Produktausbeute bei einer kommerziellen Batterieproduktion. Die Forscher beabsichtigen mit dem High-Tech-Stapler und einem neuen, optimierten Separator Musterzellen im industriellen Maßstab herzustellen und evaluieren. Im Fokus steht der Vergleich von Wickelzellen mit Stapelzellen im PHEV-1-Format. Dieses Zellformat beschreibt Zellen mit einem festen, quaderfömigen Aluminiumgehäuse, das viele Automobilfirmen bevorzugen. Eine Variante davon (PHEV 1) ist speziell für „Plug-in hybrid electric vehicles“ geeignet. Jeder einzelne Prozessschritt der industriellen Produktion von LithiumIonen-Zellen hat Einfluss auf deren Leistungsfähigkeit, Qualität und Kosten.

Um diese Zusammenhänge systematisch aufzuklären und für alle Akteure in Deutschland zugänglich zu machen, betreibt das ZSW seit 2014 eine weltweit einzigartige „Forschungsplattform für die industrielle Produktion von großen Lithium-Ionen-Zellen“ (kurz FPL; für weitere Informationen siehe Infokasten). Im Rahmen von Industrieaufträgen und Forschungsvorhaben bearbeiteten die Forscher seither viele produktionsnahe Fragestellungen, von der Anlagenentwicklung über die Verbesserung von Einzelschritten bis zu den Qualitätssicherungsverfahren. Anlagentechnisch ist dies bislang nur am ZSW gut abbildbar.

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