Lithium-Ionen-Batterien

Elektrodenherstellung für Lithium-Ionen-Batterien im Pilotmaßstab.

From Lab to Fab

 

Die Reduzierung der Fertigungskosten ist eine Voraussetzung für die zukünftige Verbreitung von Lithium-Ionen-Batterien für die Elektromobilität aber auch für die stationäre Energiespeicherung. Die Technologieentwicklung im Technikumsmaßstab stellt dabei ein entscheidendes Bindeglied zwischen den Grundlagenuntersuchungen im Labor und der industriellen Prozessentwicklung dar.

Bereits im Jahr 2012 wurde dafür gemeinsam von der thyssenkrupp System Engineering GmbH und dem Fraunhofer IKTS ein 350 m2 großes Technikum am Standort Pleißa nahe Chemnitz eingeweiht. Die Pilotlinie dient zur gezielten Vernetzung von Forschungsaktivitäten und industrieller Wertschöpfung. In Kooperation wird die komplette Fertigungskette von der Slurryherstellung und -charakterisierung, Elektrodenbeschichtung sowie Kalandrierung über Zuschnitt der beschichteten Elektrodenfolien, Assemblierung der Batterie und Elektrolytbefüllung bis zur Zellformierung abgebildet und gemeinsam optimiert.

Ein Schwerpunkt liegt auf der Skalierung und Optimierung von Beschichtungs- und Fertigungstechnologien für eine effiziente, ressourcenschonende und reproduzierbare Volumenproduktion von Lithium-Ionen-Batterien. Zusätzlich zu bestehenden Technologieansätzen werden neue Methoden gezielt für einen beschleunigten Transfer in den industriellen Einsatz betrachtet und frühzeitig adaptiert.

Darüber hinaus bearbeiten die Forschungspartner Themen wie das Folienhandling im Prozess, die Gestaltung der Fertigungsumgebung sowie die Realisierung einer effizienten Prozessüberwachung. Letztere ist dabei ein entscheidender Baustein, um frühzeitig eine Fertigungsreife im industriellen Maßstab und somit wettbewerbsfähige Systemkosten sicherstellen zu können. Die maschinenbautechnische Expertise der Partner gestattet eine umfassende Anpassung des Fertigungsequipments entsprechend der Kundenanforderungen.

Neben der Bearbeitung öffentlich geförderter Verbundprojekte steht das Technikum interessierten Industriekunden aus allen Stufen der Wertschöpfungskette zur Verfügung. Das gemeinsame Serviceangebot umfasst:

  • Durchführung von Materialtests
  • Erprobung und Optimierung etablierter und neuer Material- und Technologiekonzepte
  • Entwicklung, Erprobung und Optimierung integrierter Fertigungskonzepte
  • Up-Scaling und Technologietransfer
  • Machbarkeitsstudien und Beratung
Elektrodencoils.

Inline-Prozesskontrolle

 

Neben einer umfangreichen begleitenden Analytik und Charakterisierung entwickelt das Fraunhofer IKTS auch Ansätze für die produktionsintegrierte Qualitätssicherung für alle relevanten Schritte der Fertigung. Auf Grundlage einer langjährigen Kompetenz in der Anwendung zerstörungsfreier Prüftechnologien werden optische, akustische und elektromagnetische Verfahren anforderungsspezifisch für die einzelnen Produktionsschritte adaptiert und integriert.

Im Mittelpunkt stehen dabei die kritischen Parameter in den Prozessschritten:

  • Elektrodenfertigung (Haftung, Streifenbildung, Schnittkanten, Homogenität, Rissbildung)
  • Elektrolytbefüllung (Füllgrad)
  • Zellassemblierung (Beschädigungen, Stapelgenauigkeit, Schweißverbindungen)

So konnte basierend auf einer thermographischen Methode ein berührungsloses Inline-Prüfverfahren für die Fehleranalyse von Elektroden direkt im Produktionsprozess entwickelt werden. Dieses visualisiert Poren, Risse und Oberflächeneinflüsse.

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