Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehung für Befüllungs- und Wettingprozesse von großformatigen Lithium-Ionen-Batterien (Cell-Fill)

Projektlaufzeit:
01.10.2019 – 31.09.2022

Institute:

  • Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF)
  • Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb)
  • MEET Batterieforschungsinstitut (MEET)
  • Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM)
  • Institut für Production Engineering of E-Mobility Components (PEM)
  • Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS)
  • Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC)
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Partner:

TU München
Technische Universität Braunschweig
MEET
Fraunhofer-Gesellschaft
RTWH Aachen

Vor dem Hintergrund der steigenden Relevanz von elektrischen Speichertechnologien für mobile und stationäre Anwendungen kommt der wirtschaftlichen Herstellung von geeigneten Batterien in hoher Stückzahl eine wesentliche Bedeutung zu. So spielt bei der Fertigung von Elektrofahrzeugen die Batteriezellherstellung sowohl aus Kosten- als auch aus Umweltsicht eine zentrale Rolle. Die Befüllung ist hierbei aufgrund der langen Lagerzeit ein Prozessschritt mit hoher Kapitalbindung. Die in Cell-Fill untersuchten Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen stellen entscheidende Schritte in Richtung konkurrenzfähiger Energiespeicherfertigung dar.
Die Elektrolytbefüllung einer Lithium-Ionen-Batterie und das anschließende Wetting sind wesentliche Prozessschritte in der Batterieproduktion und stellen die Schnittstelle zwischen Zellmontage und Formierung dar. Trotz des hohen Potentials für Durchsatzerhöhung und Kostensenkung auf Grund von verkürzten Lagerzeiten sowie eines wissenschaftlich unklaren Einflusses auf Qualitätsmerkmale der Lithium-Ionen-Batterie wurde der Untersuchung der Elektrolytbefüllung bisher kaum wissenschaftliche Aufmerksamkeit zuteil. Es sind zwar Best-Practice-Lösungen vorhanden, doch welche Vorgänge die Befüllung und das Wetting dominieren und wie diese beschleunigt werden können, ist bislang kaum systematisch erfasst worden. Zur Beschreibung des Befüll- und Wettingprozesses sind lediglich qualitative Modellierungsansätzen aber keine quantitativen Beschreibungen des Einflusses möglicher Prozessparameter (z.B. Druck, Temperatur und Dosiermenge) auf die Benetzungszeit und die Produktqualität bekannt. Zusätzlich fehlen für die In-Line Überwachung des Befüllungsprozesses erprobte Methoden.
Im Rahmen des Projektes Cell-Fill wird daher der Themenkomplex Befüllung und Wetting wissenschaftlich untersucht. Die Weiterentwicklung von Prozess-Struktur/Qualitäts-Eigenschaftsfunktionen liegt im Fokus des Projektes. Aufbauend auf den Erkenntnissen des Vorgängerprojektes Cell-Fi soll außerdem die Durchlaufzeit um bis zu 30% reduziert werden. Hierbei liegt ein Fokus auf der Untersuchung von innovativen Elektrolyten, Additiven und oberflächenmodifizierten Separatoren zur Identifizierung materialseitiger Optimierungspotentiale. Außerdem werden zur Optimierung der Befüll- und Wettingprozesse innovative Prozess- und Zelldesigns untersucht. Die finale Ableitung einer zeit- und kostenoptimierten Befüll- und Wettingstrategie erfolgt dabei, über die Entwicklung quantitativer Modelle, simulationsbasiert. Ein weiteres Projektergebnis ist die Entwicklung einer inline-fähigen ultraschallbasierten Messtechnik zur Charakterisierung des Benetzungszustandes großformatiger Lithium-Ionen-Batterien. Insgesamt soll das Vorhaben dazu beitragen, die Rolle Deutschlands auf dem Forschungsgebiet der Batteriezellproduktion zu stärken und auch im internationalen Vergleich eine führende Rolle einzunehmen.