Zellproduktion

Die Weiterentwicklung bestehender Zellsysteme sowie die Forschung an Technologien der Zukunft (Lithium-Luft, Lithium-Schwefel, …) sind ein wesentliches Arbeitsgebiet der Allianz Batterien. Im Fokus stehen dabei neue Materialien bzw. Materialrezepturen für die Elektroden, neue Elektrolytsysteme und Separatoren. Ebenso sind weiterentwickelte Fertigungsprozesse, die zu einer Verbesserung der Zellperformance, einer Kostensenkung und/oder einer Verringerung umweltbelastender Emissionen führen, Gegenstand der Arbeiten. Darüber hinaus können Lithium-Zellen anwendungsspezifisch für unterschiedliche Einsatzgebiete angepasst werden. Die Fokussierung auf Pouch-Zellen ermöglicht eine flexible Gestaltung der Bauform. Zellen bzw. die daraus gebauten Zellmodule lassen sich so exakt an einen zur Verfügung stehenden Bauraum anpassen.

Die Mitgliederinstitute der Allianz Batterien besitzen flexible Fertigungsplattformen für die Herstellung von Lithiumakkumulatoren und Lithium-Schwefel-Batterien. Die Zellherstellung kann in zwei wesentliche Phasen unterteilt werden:

- Elektroden- und Separatorherstellung

- Zellassemblage

Durch Variation der Materialien im Lithiumakkumulator lässt sich dessen Performance über einen weiten Bereich kontrollieren. Zudem eröffnet das Foliengehäuse die Option, die Zellgeometrie über einen weiten Formatbereich an vorgegebene Abmessungen anzupassen. Durch die laufende Hinzunahme neuer Materialien entstand im Lauf der Jahre ein umfangreicher »elektrochemischer Systembaukasten« welcher den wachsenden Anforderungen fortwährend angepasst wird.

Die messtechnischen Einrichtungen der Allianz Batterien bieten die Möglichkeit zur umfassenden elektrochemischen und physikalischen Material- und Zellcharakterisierung. Materialrelevante Daten wie die spezifische Kapazität, Leistungsdichte, Lithiierungs- und Delithiierungspotentiale sowie die Gasbildungsrate können in Halbzellen mit 2- oder 3-Elektrodenanordnung gegen Lithium untersucht werden.

Weitere, für ein umfassendes Verständnis der elektrochemischen Prozesse wichtige Parameter wie die Zyklenstabilität, der Innenwiderstand und das kalendarische Alterungsverhalten können in einem weiten Temperaturbereich (-40 bis +180 °C) für Halb- und Vollzellen bestimmt werden. Hierzu stehen zahlreiche Prüfkreise mit Maximalströmen von 100 mA bis 100 A zur Verfügung.

Technikum und Kleinserienproduktion speziell für die Überführung von im Labor gewonnenen Ergebnissen in den industriellen Maßstab betreiben unsere Institute Technika, in welchen alle Teilschritte der Produktion von elektrochemischen Zellen umsetzbar sind. Innerhalb der Prozesskette zur Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien sind die Teilschritte Slurrymischen und Beschichtung besonders kritisch, da sich bereits kleine Parametervariationen direkt auf die Qualität der Batteriezelle auswirken. Auf mehreren Mischern, Beschichtungsanlagen und nachgeschalteten Assemblieranlagen werden deshalb die in

der F&E systematisch entwickelten Verfahren hochskaliert und optimiert. Die gemeinsam mit Industriepartnern genutzten Fertigungskapazitäten gewährleisten dabei eine rasche Umsetzung der Entwicklungsergebnisse in die Kleinserienproduktion, wobei dieses Prozess-Know-how auch Industriekunden zur Verfügung steht.

- Entwicklung von Elektrodenfolien und angepassten Rezepturen

- energieoptimierte Trocknungsprozesse

- neue Test- und Charakterisierungsmethoden

- Prototypenfertigung für kundenspezifischer Lithium-Zellen (u.a. automatisierte Demoanlage)

- Optimierung des Mikroschweißens von unterschiedlichen Metallen (Cu-Al und Cu-Stahl) für das Verbinden von Zellen zu Modulen

- Evaluierung neuer Materialien und Komponenten in Lithium-Zellen

- Ganzheitliche Entwicklung von Lithium-Schwefel-Batterien

- Modellierung des Verhaltens und Versagens von Zellen

- Post-Mortem-Analysen zur Untersuchung des Einflusses von Fertigungsparametern