ZSW entwickelt neuen Produktionsprozess für großformatige Lithium-Ionen-Zellen

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Prismatische PHEV-1-Zelle mit Aluminiumgehäuse (Hardcase) und Flachwickel.
Quelle: ZSW

Die Pilotfertigung für Lithium-Ionen-Zellen am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden Württemberg (ZSW) in Ulm wird im Rahmen des neuen Projekts „Stack“ um eine neue Produktionstechnologie erweitert. Bisher ist die Fertigung für die vollautomatische Assemblierung von prismatischen Zellen mit gewickelten Elektroden (im PHEV-1-Format) ausgelegt. Künftig sollen dort die Elektrodenbänder anstatt gewickelt auch gestapelt werden. Wie das ZSW mitteilte, könne dadurch Platz gespart werden. Zudem werde ein homogenerer Zellaufbau ermöglicht, der die Zelleigenschaften verbessert.

„Durch den Boom bei der Elektromobilität gibt es derzeit große Engpässe in den weltweiten Produktionskapazitäten für Lithium-Ionen-Zellen“, betonte 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.“

Elektrofahrzeug-Boom bedingt großes Umsatzpotenzial für Zellproduktion

Das ZSW misst der Herstellung von Batteriezellen für Elektroautos weltweit ein großes Umsatzpotenzial bei. Bis 2025 betrage es mehr als 50 Mrd. €, so das ZSW. Für solche Volumina seien weltweit enorme Investitionen in neue Produktionslinien nötig. Hochrechnungen gingen von einem Bedarf von mehr zehn Giga-Fabiken oder rund 400 Gigawattstunden Zellkapazität aus. Dahinter stecke ein Investitionsbedarf von mehr als 50 Mrd. €.

Im Rahmen des Stack-Projekts wollen die Forscher eine neue Produktionsanlage und neue Materialien zur Entwicklung des ultraschnellen Herstellprozesses einsetzen. Durch die Verwendung eines High-Tech-Staplers und eines neuartigen Separators sollen Muster-Zellen im industriellen Maßstab hergestellt und evaluiert werden. 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.

Stapeln anstatt Wickeln der Elektroden habe bei rechteckigen Zellformaten wie den PHEV-1 Zellen einige Vorteile, so das ZSW. Es führe 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. Ein Nachteil des Einzelblatt-Stapelverfahrens ist aber der geringere Durchsatz bei den derzeit verfügbaren Anlagen für die Massenfertigung. Er liege um den Faktor zwei bis sechs niedriger als beim Wickeln. Zusätzlich sei bei großformatigen Zellen aufgrund der Biegeschlaffheit der Materialien die notwendige Präzision beim ultraschnellen und hochpräzisen Stapeln der einzelnen Elektroden-Blätter eine enorme Herausforderung.

Gesteigerter Durchsatz und höhere Präzision als Ziel

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. Dabei stehen eine verbesserte Durchsatzgeschwindigkeit und die Präzision im Fokus. Diese Faktoren entscheiden den Forschern zufolge über Herstellkosten und Produktausbeute bei einer kommerziellen Batterieproduktion.

Zum Projektverbund gehören die Industriepartner Manz AG, ein Anlagenhersteller für die Produktion von Batterien auf Lithium-Ionen-Basis, und die Freudenberg Performance Materials SE & Co. KG, ein Materiallieferant mit umfangreicher Erfahrung zu Separatoren. Das Forschungsprojekt „Stack“ hat eine Laufzeit von drei Jahren und wird vom BMBF mit insgesamt 2,7 Mio. €. Begonnen hat das Projekt im Januar 2018.

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