Pressemitteilung „FormEL“

  Urheberrecht: © PEM

In dem neuen Projekt FormEL wird am PEM der RWTH Aachen University zusammen mit Partnerinstituten weiter an der Kostensenkung und der Qualitätssteigerung der Lithium-Ionen-Batteriezellen induziert durch die Zellfinalisierung geforscht. Ziel ist eine funktionsintegrierte Optimierung des Batterieproduktionsprozesses durch Ermittlung der Prozess-Qualitäts-Beziehungen.

Eine der größten Herausforderungen bei der Produktion von Batterien ist das Verständnis zwischen Prozess- und Qualitätsparameter. Insbesondere bei dem kosten- und zeitintensiven Prozessschritten der Zellfinalisierung können durch ein tiefes Prozessverständnis große Potenziale der Lithium-Ionen-Batterie umgesetzt werden. Im Forschungsprojekt FormEL arbeitet das PEM mit weiteren Forschungsinstituten aus Münster, Braunschweig und München an der Erforschung der Formierung und des End-of-Line-Test (EOL-Tests) mit der Zielsetzung einer funktionsintegrierten Gesamtprozessoptimierung der beiden Prozessschritte. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative „Batterie 2020“ mit mehr als 2 Millionen Euro gefördert.

In der Forschung wurden bisher nur vereinzelt Studien zum Einfluss der Prozessparameter wie Temperatur, Stromdichte, Spannungsprofile und diverser Materialien auf die Formierung und den EOL-Test durchgeführt. Erfahrungswerte zu den Prozessparametern von industriellen Zellfertigungsanlagen sind weitestgehend unbekannt. Der Formierungsprozess stellt damit ein Multiskalenproblem dar. An der Erforschung dieses Problems in der Batterieproduktion arbeitet das PEM zusammen mit dem Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energieanlagen (elenia) der TU Braunschweig, dem Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik der TU Braunschweig (InES), dem Münster Electrochemical Energy Technology Forschungszentrum (MEET) Batterieforschungszentrum der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und dem Lehrstuhl für Elektrische Energiespeicher der TU München (EES) innerhalb des Projekts FormEL.

In dem Projekt werden Prozess-Qualitäts-Beziehungen zur Entwicklung detaillierter Modelle und Optimierung der beiden Prozessschritte, mit dem Ziel einer funktionsintegrierten Zusammenführung, genutzt. Dafür sollen physikalische Modelle die elektrochemischen Vorgänge während der Formierung und des EOL-Tests abbilden, um Wechselwirkungen und Prognosen hinsichtlich der Zelleigenschaften in Abhängigkeit der Formierprozedur abzuleiten. Es wird zusätzlich ein modulares Warenträgerkonzept zur Zusammenführung des Formierungsprozesses und des EOL-Tests entwickelt, das mit geringen Umrüstaufwänden verschiedene Batteriezellvarianten (Batteriezellmaße und -formate) abdecken kann sowie die notwendige Mess- und Regelungstechnik beinhaltet. Durch experimentelle Untersuchungen sollen diese Optimierungsansätze im Anschluss analysiert und validiert werden.

Reduktion von Prozesskosten und -zeit bei gleichzeitiger Steigerung der Zellqualität

Durch die Identifikation der Prozess-Qualitäts-Beziehungen und modellbasierten Optimierungen der Einzelprozesse wird eine Senkung der Prozesszeit angestrebt. Die schnellere Prozesszeit der Funktionsintegration führt einerseits zur Senkung der Energiekosten pro Zelle und ermöglicht andererseits die Steigerung des Produktionsdurchsatzes, wodurch die Fixkosten pro Zelle reduziert werden. Die notwendige Messtechnik für die Formierung inkl. EOL-Test soll in einem flexiblen Warenträger für mehrere Zellen umgesetzt werden. Dieser bietet weiteres Kosteneinsparpotential und ist durch den flexiblen Aufbau für den Einsatz zukünftiger Zellgenerationen geeignet. Die in dem Projekt gewonnene Expertise ist nicht nur für aktuelle Zellgenerationen von hoher Bedeutung, um die Performance der Batteriezellen zu erhöhen, sondern auch für zukünftige Batteriezellgenerationen, um die Anlaufproblematiken durch intelligente Verknüpfungen der Parameter zu verbessern.

FormEL baut hierbei auf Expertise aus bereits abgeschlossenen Projekten – OptiZellForm und EffiForm – auf und bündelt damit einzigartig alle Kompetenzen der Institute vorangegangener Projekte unter einem Dach. Die Erkenntnisse über die Prozesse aus den beiden Projekten dienen als Basis und Input für das Projekt FormEL. In OptiZellForm konnte gezeigt werden, dass durch Anpassung der Umgebungstemperatur und leichtes Verpressen der Batteriezellen bei der Formierung eine Reduzierung der Prozessdauer erwirkt werden kann. In EffiForm wurde ermittelt, dass experimentelle Variationen der Elektrolytadditive sowie Elektroden-Porositäten keine limitierende Wirkung auf die Hochstromfähigkeit der Formierung haben. Stattdessen wurde eine Verlagerung der Formierung auf Folgezyklen festgestellt. Die erzielten Ergebnisse und Erkenntnisse aus dem Projekt FormEL sollen in die Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB in Münster münden und dort zur Prozessverbesserung dienen.