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ProTrak - Produktionstechnik für Lithium-Zellen

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Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert Verbundprojekt "Produktionstechnik für die Herstellung von Lithium-Zellen - ProTrak" beschäftigt sich mit der Entwicklung von Anlagentechnik, die für die Herstellung von Hochleistungsbatterien benötigt wird.

Ausgangsituation

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Elektrofahrzeuge sollen eine umweltfreundliche und zukunftsfähige Mobilität möglich machen. Der Einsatz von Elektrofahrzeugen ermöglicht es, die direkten Emissionen z. B. Abgase, Lärm zu verringern und die Batterien der Fahrzeuge, durch Speicherung von erneuerbaren Energien zur Steigerung der Netzstabilität zu nutzen. Zentrale Herausforderungen in diesem neu entstehenden Markt sind die Batteriezellentechnologie und die zu ihrer kosteneffizienten Massenherstellung notwendigen Anlagentechnik. Die mangelnde Verfügbarkeit belastbarer Erfahrungswerte zur Entwicklung neuer innovativer Anlagentechnik für den sich bildenden Markt führt beim Maschinen- und Anlagenbauer dazu, dass potentielle Wertschöpfungsbeiträge nicht effizient ausgeschöpft oder vielleicht gar nicht erst fokussiert werden können.

Teilprojekte des Fachgebiets

  • Erforschung neuer Ansätze zur quantitativen und qualitativen Beschreibung von Wertschöpfungsbeiträgen von einer sich in der Entwicklung befindlichen Anlagentechnik sowie des darin zum Einsatz kommenden Technologieportfolios.
  • Entwicklung von innovativer Handhabungstechnik für die Zellverbundherstellung.
  • Konzeption neuartiger lebensdauer- und fertigungsoptimierter Zellverpackungsprozesse.
  •  

Aktuelle Arbeiten im Rahmen der Entwicklung innovativer Handhabungstechnik für die Zellverbundherstellung von Lithium-Ionen Batteriezellen

Abbildung 1: Unterschiedliche Batteriezellen mit bauformabhängigem Zellverbund
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In der Fahrzeugproduktion entfallen ungefähr 30-40% der Wertschöpfung auf die Batterie und davon allein etwa 60-80% auf die Batteriezelle. Zur effizienteren und dadurch kostenreduzierten Herstellung von Batteriezellen hat sich das Fachgebiet Montagetechnik und Fabrikbetrieb das Ziel gesetzt, durch die Entwicklung von innovativer Anlagentechnik bestehende Produktivitätsgrenzen bei der z-faltenden Zellverbundherstellung nach oben zu verschieben.

Es gibt Batteriezellen in unterschiedlicher äußerer Gestalt, wie die Rundzelle und die Flachzelle, wobei sich die Flachzelle in die Hard-Case Zelle und die Folienzelle unterteilen lässt (siehe Abbildung 1).

Der Zellverbund der Batteriezelle besteht aus positiver und negativer Elektrode sowie dem Separator. Diese Elektroden-Separator-Anordnung ist eine galvanische Zelle und damit die kleinste Einheit einer Batterie. Je nach Kapazität der Batteriezelle besteht der Zellverbund aus einer unterschiedlichen Anzahl an galvanischen Zellen.

Der Aufbau und die Herstellung des Zellverbunds unterscheiden sich jedoch in Abhängigkeit der äußeren Gestalt der Batteriezelle. Die Rundzelle, bekannt aus der Elektronikindustrie, hat einen rundgewickelten Zellverbund aus bandförmigem Anoden-, Separator- und Kathodenmaterial. Die Flachzelle beinhaltet entweder einen flachgewickelten oder einen aus einzelnen Elektrodenfolien gestapelten oder gefalteten Zellverbund. Ein Großteil der Automobilhersteller wählt derzeit die Flachzelle als Energiespeicher für ihre Elektrofahrzeuge, wobei der z-gefaltete und gestapelte Zellverbund im Vergleich zum flachgewickelten Zellverbund die höchste geometrische und volumetrische Energiedichte aufweist und daher für den Einsatz in gewichtsoptimierten Elektrofahrzeugen prädestiniert ist.

Verfahren zum Herstellen des Zellverbunds sind das Rund- oder Flachwickeln sowie das Stapeln oder das z-Falten. Beim Wickeln liegen die Elektroden und der Separator als bandförmige Elemente vor, die zusammen auf einem runden oder flachen Dorn aufgewickelt werden. Der Durchsatz im Sinne der Anzahl der gefertigten Zellverbünde pro Zeiteinheit variiert in Abhängigkeit der eingesetzten Verfahren bei der Herstellung des Zellverbunds erheblich. Das Wickeln ist durch seinen nahezu kontinuierlichen Verfahrensablauf deutlich produktiver als das sequenzielle Stapeln und z-Falten, welche auf Pick-und-Place Bewegungen beruhen. Die Abkehr vom konventionellen sequentiellen hin zu einem kontinuierlichen Verfahrensablauf kann den Durchsatz bei der Herstellung des z-gefalteten Zellverbunds deutlich steigern.

Abbildung 2: Erstellung einer kontinuierlich z-gefalteten Struktur von Separatormaterial
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Das entwickelte Konzept wird im Versuchsfeld des Produktionstechnischen Zentrums Berlin (PTZ) prototypisch aufgebaut und einer Leistungsfähigkeitsmessung unterzogen. Der Mengendurchsatz zur Herstellung einer Batteriezelle im BEV-1-Format, vgl. DIN SPEC 91252, liegt beim Einsatz der entwickelten Produktionstechnik bei ca. 2,7 Zellverbünden pro Minute. Dieser Wert entspricht einer Steigerung des Mengendurchsatzes gegenüber des fernöstlichen Standes der Technik auf ca. 240%. Die Stückkosten von z-gefalteten Zellverbünden könnten entsprechend erheblich gesenkt werden.

Zur Validierung dieser erfolgversprechenden Grundlagenforschung werden stetig interessierte Studenten und Studentinnen für Bachelor- oder Masterarbeiten [5] gesucht.

Verbundpartner

•    Jonas & Redmann Group
•    Celono
•    Dispatch Energy Innovations
•    Fraunhofer ISE
•    Fraunhofer ISIT
•    ISRA Vision
•    Laser Mikrotechnologie Dr. Kieburg
•    TU Berlin-IWF
•    WITT IndustrieElektronik

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Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Robert Mooy
Tel.: +49 (0)30/314-25117
Raum PTZ 330
E-Mail-Anfrage [7]

M.Sc. Arne Glodde
Oberingenieur
Raum PTZ 322
Tel.: +49 (0)30/314-24439
E-Mail-Anfrage [8]

M.Sc. Muhammed Aydemir
Tel. +49 (0)30/314-79285
Raum PTZ 330
E-Mail-Anfrage [9]
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