Urheberrecht: © PEM RWTH Aachen

Motivation und Vorgehen

Die Elektrolytflüssigkeit und der Separator zählen zu den Kernelementen einer LIB-Zelle und haben wesentlichen Einfluss auf die Zellfertigung, die Zellperformance und die Zellsicherheit. So muss der Separator Anode und Kathode elektrisch voneinander trennen, und damit den direkten Elektronenaustausch zwischen den Elektroden verhindern, gleichzeitig aber muss der Separator sowie auch der Elektrolyt eine hohe Ionenleitfähigkeit für Lithium-Ionen haben. Die Befüllung einer Lithium-Ionen-Batterie (LIB) mit Elektrolytflüssigkeit und das anschließende Wetting stellen dabei die Schnittstelle zwischen Zellmontage und Formierung dar. Trotz des hohen Potentials für Durchsatzerhöhung, Kostensenkung und des unklaren Einflusses auf Qualitätsmerkmale der LIB wurde der Untersuchung von Separatoren und der Elektrlytbefüllung bisher kaum wissenschaftliche Aufmerksamkeit zuteil. Die Benetzbarkeit als Materialeigenschaft wurde in diversen Publikationen untersucht, jedoch ohne Rückschlüsse auf den Produktionsprozess zu ziehen. Zwar existieren vielfältige Separatoruntersuchungen und Best-Practice-Lösungen für Befüllung und Wetting, doch welche Vorgänge in der LIB Ausschlag gebend sind und wie sie beschleunigt werden können, ist weitestgehend noch nicht durchdrungen. Hinsichtlich einer nationalen Zellfertigung ist dieses methodisch aufbereitete Prozesswissen die Voraussetzung für eine Kostenreduktionund stabilere Prozesse.

Forschungsziele

Das Vorhaben hat die Erlangung tiefgehender Kenntnisse zur Prozessierbarkeit des Separators und des Elektrolyts, deren Einfluss sowohl auf den Prozess, die Zelleigenschaften und auf die Lebenszykluskosten zum Ziel. Dabei steht zum einen die Verkürzung der Befüll- und Wettingzeit, die Einstellung einer stabilen Produktqualität und die anwendungsgerechte Separatorenauswahl im Fokus. Dies setzt ein erweitertes und methodisch beschriebenes Prozessverständnis voraus. Teilziele sind daher die Erarbeitung und Validierung von Modellen, die Simulationen der Benetzungsvorgänge in LIB und die Untersuchung verschiedener Separatoren im Produktionsprozess. Darüber hinaus wird ein Entscheidungstool zur anwendungsgerechten Auswahl von Separatoren generiert und Richtlinien für die befüllungsgerechte Zellauslegung abgeleitet. Die kombinierte Betrachtung von Separatoren und Elektrolyten bietet großes Potential sowohl kostensenkende (Standzeiten minimieren, Elektrolyt-Additiveinsatz minimieren, Einkaufspreis minimieren) als auch qualitätssteigernde (Lebensdauer, Sicherheit, Performance) Erkenntnisse zu erlangen und trägt somit zu einer wirtschaftlichen Batterieproduktion einen erheblichen Beitrag.

Forschungs- und Projektpartner

• Technische Universität Braunschweig – Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF)
• Technische Universität München – Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (IWB)
• Westfälische Wilhelms-Universität Münster – Institut für Physikalische Chemie/MEET-Batterieforschungszentrum (MEET)