Batteriezellfertigung

Neben der Elektrodenfertigung und der Zellfinalisierung liegt unser Forschungsfokus auf der Zellassemblierung, der eine Schlüsselrolle bei der Batteriezellfertigung zukommt. Dabei werden verschiedene Prozesse durchlaufen, um aus den einzelnen Materialien (Elektroden, Separator, Gehäuse, Ableiter und Elektrolyt) eine fertige Batteriezelle herzustellen. Neben den eingesetzten Materialien beeinflussen die Herstellungsverfahren, deren Genauigkeiten und Prozess-Atmosphärenbedingungen maßgeblich die Leistungsfähigkeit der Batteriezellen, wie beispielsweise die Alterung, Sicherheit und Energiedichte.

In unserer Pilotlinie für die Batteriezellfertigung durchlaufen die Materialien vom Beginn bis zum Ende sieben Stationen. Aus Elektrodenbahnen oder Einzelelektroden werden zunächst Elektroden mittels Stanzen vereinzelt. Anschließend werden die vereinzelten Elektroden und Separatormaterial (als Bahn oder Einzelblätter möglich) entweder in einem kontinuierlichen Z-Faltungsverfahren oder mittels Einzelblattstapeln zu einem Zellstapel assembliert. Durch eine automatische Ablage in einen Zellstapelhalter bleibt die Positionstreue bestehen. Anschließend werden die Ableiter an die Stromsammler der Elektroden mittels Ultraschallschweißen kontaktiert. Im nächsten Schritt werden die Verbundfolien, die als Gehäusematerial dienen, auf Maß gebracht und in einem nächsten Schritt tiefgezogen, um die Halbschalen für den Zellstapel zu erzeugen. Nach der Einbringung des Zellstapels wird das Gehäuse mittels Heißsiegelverfahren dreiseitig verschlossen. Danach wird der Zellverbund in einer Vakuumkammer mit Elektrolyten befüllt und unter einem spezifischen Absolutdruck mittels Impulssiegeln verschlossen. Daraufhin kann das Gas, welches im Formierungsprozess der Batteriezelle entsteht, in der Vakuumkammer abgelassen werden. Eine neue Batteriezelle ist enstanden.

Mit unserer Pilotlinie sowie unserer Infrastruktur decken wir diese technischen Anforderungen an die Zellassemblierung ab:

• Optimal eingestellte Anlagen- und Prozessparameter in Abhängigkeit der eingesetzten Materialien
• Hohe Fertigungsgenauigkeiten, insbesondere bei der Stapelbildung
• Geringe Partikelbelastung in der Atmosphäre (Reinraumklasse ISO 7)
• Trockene Atmosphäre (bis zu -55 °C Taupunkt)

Unsere FuE-Aktivitäten zum Thema »Batteriezellfertigung« umfassen:

• Herstellung von Pouchzellen
• Prozessoptimierung in der Zellfertigung
• Charakterisierung, Post-Mortem-Untersuchungen und Sicherheitstests
• Digitalisierung und Rückvervolgung in der Zellfertigung
• Validierung von neuen Batterietechnologien und Sensorkonzepten

Mit unserer Zellfertigungslinie produzieren wir Pouchzellen in den Elektrodenformaten 50x50 bis 200x200 mm² (Standardformat 120x70 mm²) als Einzel- oder Mehrlagenzellen. Durch unsere flexible Fertigung sind wir in der Lage, verschiedene Materialien wie Aktiv- und Bindermaterialien sowie Leitadditive in den Elektroden, Separatoren, Elektrolyte, Gehäuse- und Ableitermaterialien in einem kommerziellen Batteriezellformat und unter kontrollierten Atmosphärenbedingungen zu testen.  

Der Zellstapel wird dabei vollautomatisiert und mit hoher Ablagegenauigkeit der Elektroden mittels kontinuierlichem z-Falt-Verfahren oder Einzelblattstapeln gefertigt. Über die Prozesse des Ultraschallschweißens von Elektroden und Ableiter, der Gehäusefertigung samt Tiefziehen, dem Heißsiegeln der Pouchfolie und der Elektrolytbefüllung in einer Vakuumkammer wird die Pouchzelle komplettiert. Nach definierter Benetzungszeit wird die Zelle (unter definierter axialer Verspannung) formiert und nach Entgasung zyklisiert. 

Für alle Produktionsschritte der Zellfertigung bieten wir eine Prozessoptimierung an. Im Produktionsschritt des mechanischen Stanzens kann beispielsweise die Bahnkantenqualität nach dem Stanzvorgang optisch überprüft werden. Im Bereich der Stapelbildung validieren wir Greif- und Halteeigenschaften an Bernoulli- und Vakuumsauggreifern und testen die Prozessierbarkeit von verschiedenen Separatormaterialien.Auch beim Ultraschallschweißen können, unter anderem über die Parameter Druck, Energie und Zeit, Verbindungseigenschaften an der Schweißnaht optimiert werden. Für die Verbundfolie kann sowohl das Tiefziehverhalten durch Anpassung von Niederhalterdruck, Geschwindigkeit,Tiefe und Beschleunigung bzw. Verzögerung optimiert, als auch die Siegeleigenschaften durch Anpassung der Temperatur, der Zeit und des Drucks verändert werden. In der Elektrolytbefüllung können wir mit unterschiedlichen Inertgasen (Argon, Stickstoff) die Vakuumkammer spülen, sind in der Einstellung der Druckprofile für die Befüllung und das Entgasen im Rahmen von Sicherheitsgrenzen flexibel und können unterschiedliche Elektrolyte im ein- oder mehrstufigen Befüllprozess beispielsweise im Rahmen einer Elektrolytstudie in die Pouchzellen einfüllen.  

Die Charakterisierung unserer Pouchzellen umfasst zum einen elektrochemische Untersuchungen hinsichtlich Alterungs- und Leistungsverhalten, Hoch- und Tieftemperaturverhalten und Untersuchungen mit elektronischer Impedanzspektroskopie (EIS). Die Pouchzellen werden in einem modularen Zellträger axial mit bestimmtem Druck verspannt. Die Formierung und Zyklisierung findet in Klimakammern statt. 

Zudem können wir mit unseren Charakterisierungsgeräten Batteriematerialien wie Elektroden, Separatoren bzw. Gehäusematerialien mechanisch beispielsweise auf Haftverhalten, Zugfestigkeit, Schälfestigkeit und weitere mechanische Kennwerte hin untersuchen.

Zum anderen sind wir in der Lage, mit einem speziellen Teststand die Ausdehnung der Pouchzellen während der Bestromung uniaxial und dreidimensional quantitativ zu bestimmen. 

Neben elektrochemischen und mechanischen Untersuchungen können wir Pouchzellen ebenso Post-Mortem untersuchen, also nach Erreichen von definierten Lebensdauergrenzen. Hier können wirbeispielsweise Analysen von Ablagerungen auf den Elektrodenmaterialien oder Elektrolytuntersuchungen. Unsere verstärkten Bunkerräume lassen ebenso sicherheitskritische Tests wie z.B. Überladen, Zellverhalten in Folge einer Überhitzung und mechanischen Missbrauch zu. 

Mit einer eigens entwickelten Digitalisierungslösung können wir die Maschinen- und Prozessdaten unserer Zellfertigungsmaschinen und Infrastrukturdaten unseres Trockenraums (z.B. Taupunkt) in Echtzeit verfolgen und speichern. Diese Parameter können bei Bedarf und nach vorheriger Klärung zur Verfügung gestellt werden.  

Um Materialien von oben (z.B. elektrische Zellparameter) bis nach unten (z.B. Aktivmassenanteile in den Elektroden) zu dokumentieren, entwickeln und implementieren wir aktuell eine »Track & Trace«-Lösung, mit der Materialien codiert und anschließend gescannt werden können.

Mit unserer Fertigungslinie für Pouchzellen können wir ebenso andere Batterietechnologien bzw. deren Materialien validieren und testen. Die Natrium-Ionen-Technologie zählt aus „Drop-In“-Technologie zur Lithium-Ionen-Technologie, sodass Natrium-Ionen-Pouchzellen schnell und ohne großen Modifikationsaufwand hergestellt und charakterisiert werden können. Ebenso können (All-)Solid-State-Pouchzellen auf der Linie hergestellt werden.

Neben weiteren Zelltechnologien besteht die Möglichkeit, vielversprechende und neue Sensorkonzepte industrienah zu validieren. Dabei stehen alle beschriebenen Prozesse und Anlagen zur Verfügung, vom mechanischen Vereinzeln der Elektroden bis zur Elektrolytbefüllung.