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TU Berlin

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KontiBAT BMBF
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Mit dem Hochlauf der Elektromobilität werden immer mehr Elektrofahrzeuge auf den Straßen fahren. Als Energiespeicher des elektrifizierten Antriebsstranges werden der Lithium-Ionen-Batterie (LIB) auch noch in Zukunft die größten Potentiale zugestanden. Damit Elektrofahrzeuge massenmarkttauglich werden, muss ihr Preis, der maßgeblich von den noch teuren Batterien mitgestaltet wird, deutlich sinken. Hierzu sind hochskalierbare und produktivitätsstarke Herstellprozesse für LIB erforderlich, um bei dauerhaft erhöhter Nachfrage durch Automobilhersteller das sogenannte "numbering-up", d.h. das lineare Erhöhen der Anzahl von Anlagen, zu verhindern.

Bei der Herstellung von LIB stellt die Montage des Zellverbundes, der sich im Inneren der Batteriezelle befindet und aus vielen Schichten Elektroden und Separatoren besteht, einen Engpass in der Zellherstellung dar. Der Zellverbund kann unterschiedlich aufgebaut werden, wobei die z-gefaltete Struktur besonders hohe Energiedichten der LIB ermöglicht und daher für gewichtsoptimierte Elektrofahrzeuge prädestiniert ist. Derzeit wird die Herstellung der z-gefalteten Struktur durch eine Vielzahl an sogenannten Pick-und-Place Operationen von beispielsweise flexiblen Industrierobotern oder speziellen Bewegungseinrichtungen durchgeführt (siehe Abbildung 1). Der Prozess ist zum einen zeitaufwendig, da für jede Elektrode – eine 50 Ah LIB für den Einsatz in vollelektrischen Fahrzeugen kann beispielsweise 37 einzelne Elektroden mit Abmessungen im DIN-A4 Format beinhalten – eine Pick-und-Place-Operation erforderlich ist und zum anderen in seinem Handhabungsablauf fast an seiner Produktivitätsgrenze. Eine Verkürzung der Handhabungs- und Fügezeiten der Industrieroboter durch gesteigerte Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge geht zu Lasten der Positioniergenauigkeit beim Platzieren der Elektroden, was zu geringen Überdeckungsgraden im Zellverbund und damit zu geringen Kapazitäten respektive sogar Kurzschlüssen der LIB führen kann sowie zu Lasten der Belastungsgrenzen der oberflächensensitiven Zellverbundmaterialien.

Abbildung 1: Schematische Darstellung konventionelles Z-Falten (links=[Hon-02], rechts=[Man-11)
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Das Fachgebiet Montagetechnik und Fabrikbetrieb der TU Berlin hat im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Verbundprojektes „ProTrak“ aussichtsreiche Grundlagenforschung zur Produktivitätssteigerung des Herstellprozesses eines z-gefalteten Zellverbundes für LIB betrieben. Die erlangten Erkenntnisse und Ergebnisse sind so aussichtsreich, dass das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) eine fortfolgende Forschung im Rahmen der Fördermaßnahme „Validierung des technologischen und gesellschaftlichen Innovationspotentials wissenschaftlicher Forschung – VIP+“ für weitere drei Jahre ab Januar 2017 ermöglicht. 

Abbildung 2: Erstellung einer kontinuierlich z-gefalteten Struktur von Separatormaterial.
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Abbildung 2 zeigt das am Fachgebiet entwickelte und zum Patent eingereichte Faltverfahren und die dafür erforderlichen Betriebsmittel. Das Patent stellt gleichermaßen die Grundlage in der Validierungsforschung dar und kann unter google.com/patents eingesehen werden.

Ziel des Vorhabens „KontiBAT“ ist die Validierung von innovativer Anlagentechnik zur produktivitätsgesteigerten Herstellung von z-gefalteten LIB. Im Vorhaben wird ein neues Anlagenkonzept zur Herstellung dieser LIB validiert, wobei eine kontinuierliche Verfahrensweise aller Prozessschritte zur Herstellung des Zellverbundes die Produktivität steigern und somit die Herstellkosten senken soll.

Zur Zielerreichung werden zunächst für die einzelnen Prozessschritte mehrere Baugruppen entwickelt, realisiert und bezüglich ihrer Funktionalität geprüft. Anschließend werden diese zu einer Gesamtanlage zusammengefügt, um das zuverlässige Zusammenwirken im kontinuierlichen Prozess zu demonstrieren. Im Ergebnis steht eine konkrete Technologieentwicklung, die bei kontinuierlichem Anlagenbetrieb eine Produktivitätssteigerung auf mehrere hundert Prozent gegenüber bestehenden Anlagen erreicht. 

Im Anschluss an das Vorhaben ist eine wirtschaftliche Verwertung über einen Lizenzverkauf oder über gezielte Weiterentwicklungsprojekte im Verbund mit Unternehmen geplant. 

[Hon-02] Hong, J.-J.: Packaging apparatus for an automated manufacturing system of lithium seconday battery. Kokam Engineering Co., Ltd., Patentnummer: WO2002095845A1, 28.11.2002.

[Man-11] Manz AG – Lithium-Ion Batteries. In: Screenshot aus Youtube-Video. Hochgeladen am 13.12.2011.

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