Produktionsprozess von Batteriezellen optimieren

Im Projekt Cell-Fi geht es um die Beschleunigung der Elektrolytaufnahme durch optimierte Befüllungs- und Wettingprozesse.

Elektrolytbefüllung von Batteriezellen

Projekt Cell-Fi

Im Rahmen des Kompetenzclusters zur Batteriezellproduktion (ProZell) arbeiten wir aktuell im Projekt Cell-Fi an der optimalen Elektrolytbefüllung von Batteriezellen. Ziel des Clusters ist es, den Produktionsprozess von Batteriezellen und dessen Einfluss auf die Zelleigenschaften und die Produktentstehungskosten zu erforschen und zu verbessern sowie für neue Batteriegenerationen weiterzuentwickeln. In den derzeit zwölf Projekten des ProZell-Clusters arbeiten Wissenschaftler von zwölf deutschen Universitäten und Forschungseinrichtungen gemeinsam an der Erforschung der Batteriezellproduktion.

Damit soll die wissenschaftliche Basis für den Aufbau und die nachhaltige Weiterentwicklung einer international führenden, wettbewerbsfähigen Batteriezellproduktion in Deutschland gelegt werden. Im Projekt Cell-Fi geht es speziell um die Beschleunigung der Elektrolytaufnahme durch optimierte Befüllungs- und Wettingprozesse:

Cell-Fi Hintergrund und Ziele

Durch die steigende Relevanz von elektrischen Speichertechnologien für mobile und stationäre Anwendungen wird die wirtschaftliche Herstellung von geeigneten Batterien in großer Stückzahl in den Fokus. Der Prozesss der Elektrolytbefüllung ist dabei  wegen der langen Benetzungs- und damit Lagerzeiten ein hoher Kapitalbindungsfaktor. Wissenschaftlich ist die Elektrolytbefüllung bisher kaum untersucht. Es besteht hohes Potential, dass Unternehmen hier einen höheren Durchsatz erreichen können und Kosten sparen. Es sind zwar Best-Practice-Lösungen vorhanden, doch welche Vorgänge die Befüllung und das Wetting dominieren und wie sie beschleunigt werden können, ist bislang noch nicht systematisch erfasst worden.

Logo ProZell Cell-Fi

Im Rahmen des Projektes Cell-Fi wird daher der Themenkomplex Befüllung und das Wetting erstmals wissenschaftlich beleuchtet.
Ziele sind:

  • die Benetzungszeiten großformatiger Batteriezellen zu senken
  • die daraus resultierenden Taktzeiten in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen

Untersucht wird:

  • welche Produkt- und Prozessparameter die Elektrolytbefüllung beherrschen
  • wie sich Änderungen auf die Wettingzeiten und damit die Performance der Zelle auswirken

Dafür ermitteln wir die benetzungsrelevanten Eigenschaften der Grundkomponenten. Betrachtet werden sowohl die Elektrolyt-, als auch die Elektroden- sowie Separatoreigenschaften und deren Abhängigkeiten von relevanten Prozessparametern.

 

Ergebnisse als direkter Beitrag zur Entwicklung wirtschaftlicher Speichertechnologien

Das Prozesswissen zur Befüllung und Wetting und deren Einfluss auf die Batterieperformance erarbeiten die Projektteilnehmer anschließend sowohl an prismatischen Pouch- und Hardcasezellen als auch Rundzellen. Durch die Untersuchung befüllungsrelevanter Produkt- und Prozessparameter werden Potentiale zur Reduzierung der Lagerzeiten aufgedeckt und diese durch geeignete Maßnahmen reduziert.

Diese Erkenntnisse integrieren wir in Simulationsmodelle und das Wissen lässt sich auch auf andere Materialsysteme sowie verschiedene Zellgeometrien und -bauweisen übertragen. Die Ergebnisse, die im Projekt Cell-Fi erzielt werden, leisten damit einen direkten Beitrag zur Entwicklung wirtschaftlicher Speichertechnologien für mobile und stationäre Anwendungen.

Unsere Aufgabe: Entwicklung und Anwendung von Simulationstechniken und Prozessoptimierung

Die Kernkompetenz unseres Instituts ist die Anwendung mathematischer Methoden (Simulation, Analyse, Optimierung, etc.) auf ein sehr breites Spektrum industriell relevanter Fragestellungen. In diesem Teilvorhaben ist unser Ziel die Entwicklung und Anwendung von physikalisch basierten Simulationstechniken zur detaillierten Bewertung der Befüll- und Wettingzeit bei der Elektrolytbefüllung von Batteriezellen. Auf Basis dessen optimieren wir dann den Befüllungsprozess. Dazu entwickeln wir bei uns am Institut physikalische Multiskalenmodelle und numerische Methoden, die prädiktive Computersimulationen des Befüllungsvorgangs erlauben.  

Projektlaufzeit:

01.08.2016 - 31.07.2019

 

Institute:

  • Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF)
  • Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb)
  • Institut für Physikalische Chemie (MEET)
  • Institut für Production Engineering of E-Mobility Components (PEM)
  • Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM

Simulation Elektrolytbefüllung von Batteriezellen