Simulation der Produktion von Lithium-Ionen Zellen und Batteriepacks

Optimierte Produktion von Lithium-Batterien

An vielen Orten in Europa werden große Batteriefabriken gebaut, um den Bedarf an Zellen zu decken. Da diese Fertigung sehr platz-, energie- und zeitintensiv ist, kommt es darauf an, die Produktionsprozesse möglichst effizient zu gestalten, ohne die Produkteigenschaften der Batteriezellen negativ zu beeinflussen. Hier unterstützen wir mit physikalischen Simulationsmodellen für spezifische Prozessschritte.
 

Simulationen für die Batterie- und Zellproduktion

Die Produktion von Zellen und Batterien ist eine Kette vieler komplexer Einzelprozesse. Die wesentlichen Prozesse der Zellproduktion lassen sich unterteilen in Elektrodenfertigung (Mischen, Beschichten, Trocknen, Kalandrieren) und anschließender Zellassemblierung (Vereinzeln, Stapeln/Wickeln, Verpacken, Elektrolyt-Befüllung, Formieren). Die fertigen Zellen werden dann je nach Zellformat (Pouch, zylindrisch, prismatisch) typischerweise zu Modulen zusammengesetzt (dies beinhaltet elektrische Kontaktierung, thermische Isolierung, mechanische Verspannung). Mehrere Module werden dann zu einem Pack montiert. Während die Fertigung des Batteriepacks hauptsächlich mechanischer bzw. elektrischer Art ist, sind bei der Zellproduktion komplexe physikalische Prozesse zu betrachten. 

Diese Produktionsprozesse durch Simulationen zu beschreiben, erfordert das Anpassen und Erweitern von Simulationstechniken und wird erst seit wenigen Jahre in geförderten Forschungsclustern (z.B. Projekt »Cell-Fi« – Elektrolytbefüllung von Batteriezellen)und EU-Projekten (z.B. Projekt  »DEFACTO« – Neue Methoden bei Entwicklung und Produktion von Batteriezellen)auch unter Beteiligung unseres Instituts entwickelt. Viele der Kompetenzen, die in unserer Abteilung »Strömungs- und Materialsimulation« in anderen Schwerpunkten aufgebaut wurden, lassen sich auch auf Prozessschritte in der Zellproduktion übertragen und für deren Optimierung einsetzen.

Übersicht der Prozesse

Mit unseren Softwareprodukten unterstützen wir verschiedene Batterieproduktionsprozesse..
© Fraunhofer ITWM
Mit unseren Softwareprodukten unterstützen wir verschiedene Batterieproduktionsprozesse. Die Prozesse sind entsprechend ihrer chronologischen Abfolge dargestellt: Mischen der Elektrodenslurries, Kalandrierung der Elektroden, Elektrodentrocknung, Elektrolytbefüllung der assemblierten Zellen, Zellformierung und Ausschäumung von Batteriemodulen.

Granulare Strömungssimulation der Mischung von Elektrodenslurries

Beispielsimulation eine granularen Mischvorgangs innerhalb eines EIRICH-Mischers. ©Fraunhofer ITWM

Der erste Produktionsprozess ist das Mischen der sogenannten Elektrodenslurries, eine Mischung aus granularen Ausgangsstoffen und Lösungsmittel, für die beiden Elektrodenschichten. Dabei soll in möglichst kurzer Zeit eine homogene Mischung der Ausgangsstoffe erreicht werden. Unsere GRAIN Software ist in der Lage granulare Mischprozesse auch unter Berücksichtigung von Segregationseffekte für industrielle Mischer mit hohen Rotationsgeschwindigkeiten und für verschiedene Materialen zu berechnen. Darüber hinaus ermöglicht eine gekoppelte GRAIN-FLUID Simulation die Untersuchung der Wechselwirkung des granularem Elektrodenmaterials mit dem flüssigen Lösungsmittel.

Mechanische Simulation der Elektrodenkalandrierung

Durch den sogenannten Kalandrierprozess entsteht nach der Elektrodentrocknung durch Verpressen eine definierte Elektrodenschichtdicke und Porosität. Dabei kommt es entlang der Elektrodendicke zu mechanischen Spannungen und Verformungen, welche sich wiederum auf die zukünftige mechanische Alterung der Elektrode auswirken können. Auch die Zellleistung kann durch zu starkes Kalandrieren negativ beeinflusst werden, falls dadurch Porenräume verschlossen und ionische Transportwege durch die poröse Elektrode verlängert werden.

Die aus dem Prozess resultierenden Strukturänderungen (z.B. Änderung der Porosität oder Porenstruktur) können in dreidimensionalen, mikrostrukturaufgelösten Strukturmechaniksimulationen auf Basis unserer Software FeelMath abgebildet und untersucht werden. Darüber hinaus erlaubt die Simulation die Betrachtung der lokal aufgelösten mechanischen Kräfte, so dass eine mögliche mechanische Schädigung während des Prozesses bewertet werden kann.

Simulation der mechanischen Spannung und Verformung einer Mikrostruktur während der Kalandrierung mit FeelMath.
© Fraunhofer ITWM
Mit FeelMath berechnete mechanische Spannung und Verformung einer Mikrostruktur während der Kalandrierung.

Thermische Simulation der Elektrodentrocknung

Beispiel einer thermischen Simulation, welche die Verdunstung des Lösemittels innerhalb der Elektrode durch die einwirkende Infrarotstrahlung abbildet.
© Fraunhofer ITWM
Beispiel einer thermischen Simulation, welche die Verdunstung des Lösemittels innerhalb der Elektrode durch die einwirkende Infrarotstrahlung abbildet.

Ein sehr energieintensiver Produktionsschritt bei den typischen Lösemittel-basierten Produktionsverfahren stellt die Elektrodentrocknung dar. Nachdem der Elektrodenslurry als Schicht auf den Stromabnehmer aufgetragen wurde, muss die Flüssigkeit auf einer bis zu 100 m langen Trocknungsstrecke durch Verdampfen restlos entfernt werden. Gängig sind hierfür konvektive Trocknungsverfahren aber auch induktive, konduktive, Laser oder Infrarottrocknung werden untersucht. Dabei geht es um ein möglichst schnelles Trocknen, das die Elektrodeneigenschaften nicht negativ beeinflusst (z. B. durch Rissbildung, Bindermigration oder Haftungsverlust).

Wir arbeiten an der Entwicklung von physikalischen Modellen, die in der Lage sind, die verschieden Prozessvarianten und Parameter (z. B. Trocknungstemperatur, Bandgeschwindigkeit) zu erfassen und eine Aussage über Trocknungsgrad, Energieeinsatz und Produktqualität erlauben.

Strömungssimulation der Elektrolytbefüllung von Zellen

Ein zeitaufwändiger Produktionsschritt in der Zellfertigung ist der Benetzungsprozess, der auf das Einbringen des flüssigen Elektrolyten in das Zellgehäuse folgt. Dabei muss der Elektrolyt – getrieben von Kapillarkräften und äußeren Drücken – die Porenstruktur der Elektroden und des Separators möglichst homogen durchdringen. Die Zeit, die dieser Prozess benötigt, den Einfluss externer Bedingungen, sowie die Homogenität der Elektrolytverteilung kann mit unserer Software FLUID simuliert werden.

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Zeitliche Entwicklung der lokalen und globalen Elektrolytsättigung während des Benetzungsprozesses innerhalb einer Li-Ionen Batterie, simuliert mit FLUID. ©Fraunhofer ITWM

Elektrochemische Simulation der Zellformierung

Direkt anschließend folgt der ebenfalls sehr zeitaufwändige Formierprozess, in dem die Zelle zum ersten Mal langsam zyklisiert wird, damit sich die passivierende SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase) auf der Anode ausbildet. Das materialspezifische Formierprotokoll ist entscheidend für die finalen Zelleigenschaften, insbesondere die Lebensdauer und Kapazität. Beim Formieren kommt es zu sogenannten »Formierverlusten«, d.h. einer Abnahme der Kapazität, die bereits beim Zelldesign berücksichtigt werden muss, damit die Kapazität der beiden Elektroden am Ende optimal balanciert ist. Auf Basis des elektrochemischen Modells in unserer Software BEST arbeiten wir an der Entwicklung eines Formiermodells, dass es ermöglicht, den Einfluss der Prozessparameter auf Dauer und Qualität der Formierung zu bewerten, zu optimieren und die Formierverluste vorherzusagen.

Der Zyklus der Zellformierung
© Fraunhofer ITWM
Der Zyklus der Zellformierung

Strömungssimulation des Ausschäumens von Batteriemodulen zur thermischen Isolation

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Mit FOAM simulieren wir die Ausdehnung von Schaum, um Zellen in einem Batteriemodul thermisch voneinander zu isolieren. ©Fraunhofer ITWM

Zellen in einem Batteriemodul müssen thermische voneinander isoliert sein (zum Schutz vor einem schnellen Thermal Runaway – Überhitzen der Zelle durch einen sich selbst verstärkenden wärmproduzierenden Prozess) und mechanisch fixiert sein. Zylindrische Zellen werden hierbei häufig nebeneinander angeordnet und die Zwischenräume mit einem Schaum ausgefüllt. Mit unserer Software FOAM können wir die Ausbreitung und die Ausdehnung des Schaumes simulieren und anhand der Ergebnisse bereits im Voraus untersuchen, ob alle Bereiche erreicht werden, die gefüllt werden müssen, oder ob die Schaumverteilung homogen ist.

Unsere passenden Softwaretools im Überblick

 

BEST – Battery and Electrochemistry Simulation Tool

BEST ist eine Software-Umgebung für die physikbasierte, dreidimensionale Simulation von Lithium-Ionen-Batterien.

 

FLUID – Simulationssoftware für komplexe Fluide

FLUID ist eine Software für Simulationen mit hochkomplexen, nicht newtonschen mehrphasigen Fluid-Phänomenen.

 

GRAIN – Granulare und Schüttgutströmungssimulation

Die Simulationsumgebung und Infrastruktur wurde für die Entwicklung von Produkten und Prozessen mit granularen Stoffen und Schüttgütern entwickelt.

 

FOAM – Simulation von PU-Schäumen

Unser FOAM-Löser simuliert den Expansionsprozess von PU-Schäumen und bietet die Möglichkeit, die Schaumbildung und resultierende Schaumdichte in geschlossenen Formen zu berechnen.

 

FeelMath – Analyse-Tool für elastische Mikrostrukturen

Das Analyse-Tool befasst sich mit elastischen Mikrostrukturen, die durch 3D-Bilder oder virtuellen Materialstrukturen vorgegeben sind.