ProTrak – Durchsatzoptimierte Formierverfahren: Produktionstechnik für die Herstellung von Lithium-Zellen

Beschleunigtes Formierverfahren für Lithium-Ionen-Zellen

Laufzeit: Oktober 2012 - September 2015
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Kooperationspartner: Fraunhofer-Institut für Siliciumtechnologie ISIT
© Fraunhofer ISE

Abb. 1: Elektrolytbefüllung von Lithium-Ionen-Zellen in der Glovebox vor der elektrischen Formierung.

© Fraunhofer ISE

Abb. 2: Teststand für hochgenaue Coulombmetrie.

© Fraunhofer ISE

Abb. 3: Ableitung der Zellspannung über der Beladung während Formier- und Ladevorgang für eine NMC-Zelle (Nickel Mangan Kobalt). Deutlich ist der Unterschied zwischen der ersten Beladung (Formiervorgang, rot) und der zweiten Beladung (blau) zu erkennen.

In der Elektromobilität, in stationären Anwendungen und im portablen Bereich dominieren Lithium-Ionen- Zellen zunehmend den Batteriemarkt. Um die Kosten dieser Speichertechnologie zu senken, müssen diese Batterien günstiger produziert werden können. Ein wesentlicher Bestandteil des Herstellungsprozesses ist das erstmalige Durchlaufen einer definierten Lade- Entlade-Sequenz der Batterie – der sogenannten Formierung – und das nachfolgende Ageing. Dieses Verfahren ist sehr zeitaufwendig und damit teuer. Das Fraunhofer ISE simuliert im Projekt »Protrak« die Vorgänge, die bei der Formierung ablaufen. Gestützt auf diese Ergebnisse werden neue Formierungsverfahren entwickelt, die wesentlich schneller sind und dabei die Eigenschaften der Lithium-Ionen-Zellen noch verbessern.

Im Verbundprojekt »Protrak« wurden gängige Formierungsund Lagerungsprozesse aus der Industrie und der Stand der Wissenschaft untersucht. Hieraus wurden prozessrelevante Größen für die Formierung abgeleitet. Als Grundlage für die weiteren Arbeiten haben wir mit dem Fraunhofer ISIT mögliche Modellansätze entwickelt.

Die für die Entwicklung des Modells benötigten Testzellen hat das Fraunhofer ISIT zur Verfügung gestellt. Auf Basis des entwickelten Modells und der durchgeführten Formierversuche wurden optimierte Formierzyklen festgelegt, die die geforderte kalendarische Lebensdauer und Zyklenfestigkeit ermöglichen sowie den Zeitaufwand dieses Prozessschritts signifikant reduzieren. Diese Arbeiten sind grundlegend für die Ausarbeitung von Prozessoptimierungen für Zellen mit anderen Zellchemien. Die Befüllung mit Elektrolyt sowie die Formierung der Zellen führen wir am Fraunhofer ISE durch (Abb. 1).

Zudem haben wir einen Teststand für die hochgenaue Coulombmetrie entwickelt (Abb. 2). In großangelegten Testmatrizen werden die verschiedenen möglichen Formierungszyklen unter definierten Bedingungen an Batterietestsystemen untersucht. Für das sogenannte Ageing ist beim Prozess der Zellfertigung die Zwischenlagerung großer Mengen von Zellen unter definierten Bedingungen erforderlich. Das ist sehr kostenintensiv. Es wird deshalb auf Grundlage der hochgenauen Coulombmetrie sowie der optimierten Formierzyklen ein Verfahren entwickelt, um diesen Aufwand deutlich zu reduzieren.