Die Batterie neu denken

Lithium-Ionen-Batterien gibt es schon lange, doch durch die Energiewende werden immer größere und leistungsfähigere Batterien benötigt. Um diese wirtschaftlich in großen Massen anzufertigen, muss die automatisierte Produktionstechnik verbessert werden.

Deswegen wird nicht nur daran geforscht, die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen, sondern auch daran, die Herstellungskosten zu senken. Effiziente Prozesse in der Produktion helfen dabei. Allerdings darf die Produktqualität nicht leiden.

Batteriezellenfertigung an der Universität

Die ausgestellte Lithium-Ionen-Zelle wurde im Forschungsprojekt „Produktionstechnik für Lithium-Ionen-Zellen“ ProLIZ entwickelt. Am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München wurde die Produktion von Lithium-Ionen-Zellen für Elektroautos wissenschaftlich untersucht. Dazu wurde am iwb eine Zellfertigungslinie zur Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen mit industrietauglicher Anlagentechnik aufgebaut, von der Elektrodenrolle bis zum Zelltest. Manuelle Montageschritte in der Batterieherstellung konnten so automatisiert werden.

Forschung für eine wirtschaftlichere Produktion

Eine Senkung der Produktionskosten ist wirtschaftlich nur sinnvoll, wenn die Qualität der produzierten Batteriezellen nicht leidet. Angesichts der Energiewende steigt der Bedarf an großformatigen Litium-Ionen-Zellen deutlich an. Die Automatisierung einzelner Prozessschritte macht die Herstellung wirtschaftlicher. Das Forschungsprojekt konzentrierte sich deswegen auf die Entwicklung industrienaher Produktionstechnik für die Herstellung von Hochenergiespeicherzellen. Getestet wurden industriell einsetzbare Verfahren und Anlagen der Prozesskette: vom Fügen der Zellableiter über das Verpacken des Zellstapels im Gehäuse und dem Füllen der Zelle mit Elektrolyt bis zum anschließenden Abdichten des Gehäuses. Gleichzeitig wurden die mit der neuentwickelten Anlagentechnik hergestellten Zellen nach jedem Prozessschritt getestet, um Verbesserungsmaßnahmen abzuleiten.

Von der Forschungsfrage zur Produktionsstraße

Die Technologien sollen mittelfristig direkt in die Industrie übertragen werden können. Daher orientierte sich das Projekt an marktüblichen Materialien für Lithium-Ionen-Batterien. Zunächst wurde eine Demonstrationszelle für die Entwicklung der Produktionskette definiert und hergestellt. Die einzelnen Prozesse und Arbeitsschritte zur Herstellung wurden in Anlagenmodule und ein Linienkonzept für die Fertigung übertragen. Während der Produktion erfolgte eine engmaschige Qualitätskontrolle. Dadurch konnten nicht nur Verbesserungsmaßnahmen, sondern auch Methoden zur Fehlererkennung abgeleitet werden. Die Qualitätsprüfung nach jedem Prozessschritt erlaubte es, die Eigenschaften der Zellen auf einzelne Prozessparameter zurückzuführen, z. B. auf Einstellungen der Montageanlagen oder der Laserschneid- und Fügeverfahren. So wurden wichtige Erkenntnisse für die Optimierung der Fertigungsverfahren und -anlagen gewonnen.

 

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