Batterieherstellung mit Zukunft: Ein Einblick in die Produktions- und Prozessforschung des ZSW in Ulm

Die Energiewende stellt uns vor große Herausforderungen und bietet gleichzeitig faszinierende Chancen. Eine dieser Chancen ist die Batterietechnologie, die als Herzstück der Elektromobilität und der Speicherung erneuerbarer Energien gilt. Die Zukunft der Batterieproduktion ist daher von strategischer Bedeutung für den Fortschritt in diesen Bereichen - und für die nationale Wertschöpfung.

Eines der führenden Forschungszentren auf diesem Gebiet ist das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm. Das ZSW beschäftigt sich seit vielen Jahren mit der Batterieproduktions- und Prozessforschung mit dem Ziel, die Effizienz und Leistungsfähigkeit von Batterien sowie deren Herstellung zu verbessern.

Das Forschungsspektrum des ZSW in Ulm ist einzigartig. Das ZSW kann alle Prozessschritte zur Entwicklung und Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen in verschiedenen Standardformaten anbieten. Dazu gehören 18650- und 21700-Rundzellen, einfach und mehrfach gestapelte Pouch-Zellen sowie prismatische PHEV-2-Zellen. Die Batterieherstellung umfasst die Fertigung von Prototypen und Musterserien, vom Labormaßstab bis zur industrienahen Produktion an der Forschungsproduktionslinie (FPL).

Ansprechpartner

Dr. Wolfgang Braunwarth
+49 731 9530-562
Industrienahe Produktions- und Prozessforschung (FPL)

Wie stellt man eine Batterie her?

Die Herstellung einer Batterie ist ein mehrstufiger Prozess, der Fachwissen und Präzision erfordert. Die Batterieherstellung ist ein interdisziplinäres Feld, in dem Materialwissenschaften, Elektrochemie und Ingenieurwissenschaften zusammenkommen, um effiziente und leistungsfähige Batterien herzustellen. Doch was genau passiert bei der Batterieherstellung?

Batterieherstellung am ZSW in Ulm: Verschiedene Standardformate von Lithium Ionen Zellen
Batterieherstellung: Das ZSW bietet die Herstellung von Lithium Ionen Zellen in verschiedenen Standardformaten an.

Am Anfang steht die Auswahl der richtigen Materialien. Die Aktivmaterialien sind das Kernelement jeder Batterie, denn sie ermöglichen die chemischen Reaktionen, die zur Speicherung und Freisetzung von Energie führen. Doch ein Aktivmaterial allein macht noch keine gute Batterie. Es ist die Wechselwirkung zwischen dem Aktivmaterial und den anderen Komponenten, insbesondere dem Elektrolyten, die die Leistung und Lebensdauer einer Batterie bestimmt.

Bei der Herstellung der Elektroden spielt das Design der Partikel (auch Partikelmorphologie genannt) und die Auswahl der Additive eine wichtige Rolle. Die Partikelmorphologie beeinflusst, wie gut die chemischen Reaktionen in der Batterie ablaufen können. Die Additive beeinflussen die Leistung und Lebensdauer der Batterie. Die Herstellung von Elektroden erfordert daher Know-how und eine präzise Kontrolle aller Parameter.

Dann kommt es noch auf das Zelldesign und den eigentlichen Herstellungsprozess an. Hier spielen Faktoren wie Qualität und Geschwindigkeit der Prozesse sowie Kosten eine wichtige Rolle. Das Zelldesign bestimmt, wie die verschiedenen Komponenten einer Batterie - wie Elektroden und Elektrolyt - zu einer funktionierenden Einheit zusammengefügt werden. Die Qualität des Herstellungsprozesses hat einen direkten Einfluss auf die Qualität des Endprodukts, während die Geschwindigkeit des Prozesses bestimmt, wie schnell Batterien hergestellt werden können und damit auch die Kosten beeinflusst.

Schließlich muss jedes neue Material oder jede neue Komponente, die in der Batterieherstellung verwendet wird, vor der kommerziellen Produktion qualifiziert und in Musterserien verifiziert werden. Dadurch wird sichergestellt, dass das neue Material oder die neue Komponente sicher und effizient funktioniert und den hohen Standards der Industrie entspricht.

Die Produktion einer leistungsstarken, langlebigen und wirtschaftlichen Batterie erfordert eine präzise Planung und sorgfältige Umsetzung jedes einzelnen Schrittes im Herstellungsprozess. Dies bedingt ein umfassendes Verständnis aller Prozessphasen unter realen Produktionsbedingungen.

Zellformierung in der Batterieherstellung: Ein entscheidender Schritt zur Sicherstellung der optimalen Leistung, Kapazität und Lebensdauer einer Batteriezelle.
Die Zellformierung bei Batterien bezieht sich auf den Prozess, bei dem eine neu hergestellte oder reaktivierte Batteriezelle in einen betriebsfähigen Zustand gebracht wird. Dieser Prozess ist entscheidend, um die optimale Leistung, Kapazität und Lebensdauer der Batterie sicherzustellen

Innovative Materialien und Verarbeitungsverfahren für Elektroden und Zellen

Die Batterieindustrie hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht, insbesondere durch die Entwicklung innovativer Materialien. Fortschrittliche Materialien tragen dazu bei, die Leistung, Sicherheit und Lebensdauer von Batterien zu verbessern und gleichzeitig die Kosten zu senken und Ressourcen zu schonen.

Kalandrierung von Elektroden am ZSW, wo fortschrittliche Materialien und Verarbeitungsverfahren für die Batterieherstellung verwendet werden.
Kalandrieren von Elektroden Zur Batterieherstellung werden am ZSW innovative Materialien und Verarbeitungsverfahren für Elektroden und Zellen eingesetzt.

Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des ZSW in Ulm arbeiten an der Formulierung von innovativen Materialkompositionen im  Labormaßstab sowie an der Entwicklung geeigneter Verarbeitungsmethoden, um  diese Materialien in den Maßstab der industriellen Batterieproduktion zu  überführen. Durch die gezielte Optimierung der Materialzusammensetzung  und der Verarbeitungsprozesse sind wir in der Lage, durch neuartige  Rezepturen die herausragenden Eigenschaften der Materialien zu  maximieren und somit die Effizienz zu steigern.

Die Vorteile innovativer Materialklassen werden erst deutlich, wenn sie zu Elektroden und kompletten Zellen verarbeitet werden. Am ZSW sind daher Untersuchungen in Bezug auf die Eigenschaften und Wechselwirkung mit anderen Zellkomponenten ein großes Arbeitsgebiet mit dem wir ein tieferes Verständnis für Funktion und ihre Einsatzmöglichkeiten ermitteln können.

Die Auswahl und Verarbeitung innovativer Materialien und die daraus resultierenden Elektroden- und Zelleigenschaften werden sorgfältig analysiert und getestet. Hierfür steht am ZSW in Ulm eine umfangreiche Analytik und sehr erfahrenes Personal zur Verfügung.

Der Einsatz neuer Materialien bringt jedoch auch neue Herausforderungen an den Produktionsprozess mit sich. So erfordert beispielsweise der Ersatz des gesundheits- und umweltschädlichen organischen Lösungsmittels NMP (N-Methyl-2-pyrrolidon) durch Wasser den Einsatz alternativer, wasserkompatibler Binder und ein neues Verarbeitungsverfahren für die Anodenbeschichtung. Das ZSW in Ulm ist diesen Herausforderungen gewachsen und in der Lage, innovative Lösungen zu entwickeln. Diese Arbeiten sind entscheidend, um das volle Potenzial der neuen Materialien auszuschöpfen und die nächste Generation von Hochleistungsbatterien zu entwickeln.

Besichtigung der Produktionsforschung mit Winfried Kretschmann
Blick in die Herstellung von fahrzeugtauglichen Batteriezellen am ZSW. Von links: ZSW-Vorstand Professor Markus Hölzle, Ministerpräsident Winfried Kretschmann, Leiter des Fachgebiets Produktionsforschung Dr. Wolfgang Braunwarth und sein Stellvertreter Steffen Bazlen.

Entwicklung von Elektroden am ZSW in Ulm

Das ZSW in Ulm verfügt über alle Anlagen und das Know-how, um Elektroden im Kundenauftrag herzustellen. Bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen stellen verschiedene Anwendungsfälle unterschiedliche Anforderungen an die Elektroden. Um diesen unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden, werden am ZSW spezifische Methoden und Techniken zur Elektrodenentwicklung eingesetzt.

Beispielsweise werden Elektroden für Hochleistungs-Zellen (High Power) dünner beschichtet und weisen aufgrund eines erhöhten Bedarfs an Leitfähigkeitsadditiven üblicherweise einen niedrigen Aktivmasseanteil auf. Elektroden für den Einsatz in High Energy-Anwendungen werden dagegen üblicherweise stärker belegt und der Anteil an Additiven in der Rezeptur auf ein Minimum reduziert. 

Die Porosität der Elektroden ist ebenfalls wichtig. Sie bestimmt die Kinetik des Lade- und Entladevorgangs, die Energiedichte sowie die Haftung und Stabilität.

Detailaufnahme einer Elektrode mittels Rasterelektrodenmikroskop zur Fortschrittsanalyse in der Entwicklung von Elektroden
Untersuchungen an Elektroden mit dem Rasterelektrodenmikroskop

Um die optimale Elektrodenstruktur zu ermitteln, setzt das ZSW verschiedene Untersuchungsmethoden ein. Dazu gehört die Rasterelektronenmikroskopie (REM), die Quecksilberporosimetrie und die elektrochemische Analyse von Elektroden. Diese Methoden ermöglichen eine detaillierte Untersuchung der Elektrodeneigenschaften und damit die Entwicklung von Elektroden, die optimal auf den jeweiligen Anwendungsfall zugeschnitten sind.

Batterieproduktion am ZSW in Ulm: Forschung vom Material bis in die Zelle

Die Batterieproduktion am ZSW in Ulm ist sowohl in ihrer Vielfalt als auch in ihrer Technologie auf dem neuesten Stand. Es können verschiedene Zellformate entwickelt und hergestellt werden, wie z.B. Single Layer Pouch Zellen, 18650 und 21700 Rundzellen sowie gestapelte Pouch Zellen und prismatische PHEV-2 Zellen mit bis zu 80 Ah. Damit ist das Institut in der Lage, maßgeschneiderte Lösungen für eine Vielzahl von Anwendungen anzubieten.

Drei verschiedene Zellformate aus der Batterieproduktion des ZSW in Ulm: 21700-Rundzellen (links), Pouch Zellen (in der Mitte) und prismatische Zellen PHEV-2 (rechts)
Verschiedene Zellformate werden am ZSW in Ulm entwickelt und hergestellt: 21700-Rundzellen (links), Pouch Zellen (mitte) und prismatische Zellen PHEV-2 (rechts)

Am ZSW endet die Arbeit nicht mit dem Zusammenbau der Zellen. Vielmehr wird eine detaillierte Analyse der Zellkomponenten durchgeführt, die für die Entwicklung oder Optimierung neuer Zellen von großer Bedeutung ist. Dies ermöglicht uns, immer wieder neue, effizientere und leistungsfähigere Batteriezellen und  zu entwickeln. Wir verfolgen eine ganzheitliche  Herangehensweise von der Herstellung und Charakterisierung  von Aktivmaterialien, über den Bau von kompletten Batteriesystemen und deren Testung enden die Arbeiten mit dem Thema Batterierecycling.

Ministerpräsident Winfried Kretschmann besichtigte die seit 2013 betriebene und im Jahr 2022 erweiterte, europaweit einzigartige Forschungsproduktionslinie (FPL) zur industrienahen Fertigung von großen Lithiumionenzellen, wie sie heute in Elektrofahrzeugen verbaut werden. Das ZSW arbeitet eng mit Partnern aus der Industrie zusammen. Gemeinsames Ziel ist die kontinuierliche Optimierung und Erforschung von Produktionsprozessen mit neuen Materialien oder verbesserten Anlagenkomponenten, um vorwettbewerbliches Produktions-Know-how zu generieren.

Am ZSW sind wir spezialisiert darauf, Elektroden und Zellen sowohl im Labormaßstab als auch in industriellen Dimensionen zu entwickeln und herzustellen. Hierbei stehen uns sämtliche Anlagen zur Verfügung, um alle Einzelschritte des Zellfertigungsprozesses abzubilden. 

Pouch Zelle

In der modernen Batterietechnologie gibt es eine Vielzahl von Zellformaten, die je nach Anwendung ihre eigenen Vorteile haben. Ein solches Format, das in letzter Zeit immer beliebter geworden ist, ist die Pouch Zelle.

Darstellung einer beeindruckenden 80 Ah Pouch Zelle, die im ZSW hergestellt wird – ein einzigartiges Merkmal in der aktuellen Forschungslandschaft.
Ein Alleinstellungsmerkmal des ZSW in der Forschungslandschaft ist, dass auch große Pouch Zellen von bis zu 80 Ah hergestellt werden können.

Was sind Pouch Zellen?

Eine Pouch Zelle ist eine flexible, flache Lithium-Ionen-Batteriezelle, die in einer beweglichen, versiegelten Folienverpackung untergebracht ist. Im Gegensatz zu zylindrischen oder prismatischen Zellen haben sie kein festes Metallgehäuse, wodurch sie leichter und oft auch kompakter sind. Der Hauptvorteil der Pouch Zellen liegt in ihrer Flexibilität und der Möglichkeit, sie in verschiedenen Größen und Formen herzustellen, wodurch sie sich für eine Vielzahl von Anwendungen eignet, von Elektrofahrzeugen bis hin zu tragbaren elektronischen Geräten.

Kleine Pouch Zellen bis 5 Ah am ZSW

Bevor neue Materialien für Batterien in großen kommerziellen Zellen verwendet werden können, müssen sie zuerst in kleinen Musterzellen getestet und bewertet werden.  Die Herstellung von kleinen Pouch Zellen (bis 5 Ah) im Labormaßstab erfolgt am ZSW in Ulm mit einer Pilotanlage. Mittels professioneller Stapelwickelmaschine können Pouch Zellen mit Elektroden mit Kantenlängen im Bereich von 40 mm x 65 mm reproduzierbar hergestellt werden. Darüber hinaus bietet das ZSW die Möglichkeit, Sonderformate nach spezifischen Kundenanforderungen zu entwickeln.

Modern ausgestattete Pilotanlage mit speziellem Trockenraum, in dem kleine, gestapelte Pouch Zellen mit einer Kapazität von 5 Ah montiert werden.
Pilotanlage mit Trockenraum zur Montage von kleinen, gestapelten Poch Zellen (5 Ah).
Abbildung des detaillierten Fertigungsprozesses von Pouch Zellen mit einer Kapazität von bis zu 80 Ah, speziell für Anwendungen in der Automobilindustrie.
Batterieherstellung: Fertigungsprozess von Pouch Zellen bis 80 Ah für die Automobilindustrie

Große Pouch Zellen bis 80 Ah am ZSW

Die 2014 am ZSW etablierte Forschungsproduktionslinie (FPL) zur Herstellung von großen Lithium-Ionen-Zellen (FPL) bietet eine umfassende Ausstattung, die den Anlagen in kommerziellen Produktionsprozessen entspricht. Dies ermöglicht die reproduzierbare Herstellung großer Lithium-Ionen-Zellen und Musterserien auf hohem Qualitätsniveau in Leistungsklassen. Neu seit 2022 ist, dass auch eine flexible Herstellung von großen Pouch-Zellen in verschieden Formaten mit einer Leistung von bis 80 Ah angeboten werden kann.

Die Anlagen decken den gesamten Prozess ab, von der Pastenherstellung über die Beschichtung bis zur Assemblierung und Formierung der Zellen. Die bewusste Entscheidung, diese Anlagen nicht miteinander zu verkettet, ermöglicht uns viel Flexibilität. Neue, fortschrittliche Herstellungsprozesse können leicht in die Pilotfertigung integriert und erprobt werden. Dieser Ansatz ermöglicht uns, kontinuierlich an der Weiterentwicklung und Optimierung unserer Produktionsmethoden zu arbeiten.

Moderne Anlage am ZSW aus dem Jahr 2023: Ein Einzelblattstapler für Elektroden, der eine flexible und formvariable Herstellung von Batteriezellformaten ermöglicht.
Die flexible Herstellung neuer Batteriezellformate ist am ZSW seit 2023 durch neue Anlagen zur Zellmontage möglich: Einzelblattstapler für Elektroden zur formvariablen Herstellung der Batteriezellen

Prismatische Zellen

In der dynamischen Welt der Batterietechnologie haben prismatische Hardcasezellen aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften und Vorteile eine besondere Stellung eingenommen, insbesondere im Bereich der Elektromobilität und der Speicherung regenerativer Energien.

Was sind Prismatische Zellen?

Prismatische Zellen sind ein spezieller Typ von Lithium-Ionen-Zellen, die in einem prismatischen, d.h. rechteckigen oder quadratischen Aluminiumgehäuse (Hardcase) untergebracht sind. Im Gegensatz zu zylindrischen Zellen, die rund sind, ermöglichen prismatische Zellen eine effizientere Raumnutzung und werden bevorzugt in Elektrofahrzeugen oder in stationären Speichern eingesetzt.

Detailansicht einer prismatischen Zelle im robusten Aluminiumgehäuse, hergestellt in den hochmodernen Einrichtungen des ZSW in Ulm.
Prismatische Hardcase-Zelle im Aluminiumgehäuse gefertigt am ZSW in Ulm
Abbildung des detaillierten Fertigungsprozess von prismatischen Zellen, speziell konzipiert für den Einsatz in der Automobilbranche
Batterieherstellung: Fertigungsprozess von PHEV-2 prismatische Zellen für die Automobilindustrie

Wie wird eine prismatische Zelle hergestellt?

Zur Produktionsforschung betreibt das ZSW bereits seit 2014 eine einzigartige Forschungs- und Entwicklungsplattform für die Herstellung von großen prismatischen Lithium-Ionen-Zellen, kurz: FPL (Forschungsproduktionslinie). Seit 2022 liegt der Schwerpunkt auf dem PHEV-2 Formatfür große Zellen bis 80 Ah. Heirfür wurde die gesamte Zellassemblierung umgebaut und mit den neuesten Anlagen ausgestattet, u. a. mit einen Elektrodenstapler und einem Laserschneider, wodurch eine formvariable Herstellung der Batteriezellen angeboten werden kann.

Unsere Montageprozesse sind automatisiert und finden in einem geräumigen 300-Quadratmeter Trockenraum statt, der speziell für die Erprobung innovativer Montagetechnologien konzipiert wurde. Ein Taupunkt von -60 °C schafft optimale Produktionsbedingungen.

Darüber hinaus steht für die vollautomatische Zellformierung ein sauerstoffreduzierter Raum mit 240 temperierbaren Zyklierplätzen sowie großzügigen 2.016 Lagerplätzen auf einer Fläche von 70 m² zur Verfügung.

Mit dem Aufbau der Forschungsproduktionslinie für die industrienahe Fertigung von großen Lithium-Ionen-Zellen (FPL) hat das ZSW eine zentrale Rolle bei der Überbrückung der Lücke zwischen Laborentwicklung und Serienfertigung übernommen. Die Plattform ermöglicht die Entwicklung, Optimierung und Qualifizierung aller Prozesse bis hin zur fertigen Lithium-Ionen-Zelle unter seriennahen Bedingungen.

Die Hauptziele des ZSW in diesem Bereich sind die Demonstration fortschrittlicher Aktivmaterialien, die Evaluierung neuer Materialien und Komponenten, die Erprobung und Optimierung neuer Produktionsverfahren und die Weiterentwicklung entscheidender Prozessparameter. Mit Unterstützung von Bund und Land hat das ZSW in Ulm damit weltweit Maßstäbe für die kommerzielle Zellfertigung in Deutschland gesetzt.

Essenzieller Prozess der Elektroden Beschichtung in der Batterieherstellung, besonders relevant bei Lithium-Ionen-Batterien.
Die Elektroden Beschichtung ist ein wichtiger Prozess in der Batterieherstellung, insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien.
Einblick in einen sauerstoffreduzierten Raum, in dem der Prozess der vollautomatischen Zellformierung stattfindet. Ausgestattet mit 240 temperierbaren Zyklierplätzen und 2.016 Lagerplätzen für effiziente Batterieproduktion.
Vollautomatische Zellformierung im sauerstoffreduzierten Raum mit 240 temperierbaren Zyklierplätzen sowie 2.016 Lagerplätzen.

Rundzelle

Rundzellen sind ein wesentlicher Bestandteil moderner Batterietechnologien und werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt. Das ZSW in Ulm hat spezielle Methoden und Techniken entwickelt, um diese Zellen effizient und mit hoher Qualität herzustellen.

Was ist eine Rundzelle?

Eine Rundzelle, oft auch als zylindrische Zelle bezeichnet, ist eine Batterie- oder Akkumulatorzelle mit zylindrischem Aufbau. Typische Beispiele sind die weit verbreiteten 18650-Zellen. Sie bestehen aus einer Anode und einer Kathode, die durch einen Separator voneinander getrennt und in einem zylindrischen Gehäuse eingeschlossen sind. Der Name "18650" bezieht sich auf die Abmessungen der Zelle: 18 mm Durchmesser und 65 mm Länge.

Detailaufnahme von Lithium Ionen Rundzellen im speziellen 21700 Format.
Rundzellen: Lithium Ionen Zellen im 21700 Format
Die Abbildung zeigt die Herstellung von 21700 Zellen mit konventionellem Design am ZSW: Vom Pulver bis zur geprüften Zelle.
Herstellung von 21700 Zellen mit konventionellem Design am ZSW: Vom Pulver bis zur geprüften Zelle.

Wie werden Rundzellen hergestellt?

Die Produktion der Rundzellen am ZSW in Ulm folgt einem festgelegten Prozess, der sicherstellt, dass jede Zelle den hohen Qualitätsstandards des Instituts entspricht. Im Fokus stehen aktuell die Formate 18650 und 21700. Am ZSW befassen wir uns neben dem konventionellen 21700 Zelltyp mit Zellen im sog. "Tabless Design". Ab 2024 können wir auch Prototypen mit Tabless Design im Format 4680 anbieten.

Das Material wird in einen speziellen Trockenraum mit einem Taupunkt von unter -60 °C gebracht. Dort werden Anode und Kathode in einem Vakuumofen nach dem ZSW-Verfahren getrocknet. Eine halbautomatische Wickelmaschine sorgt dafür, dass Anode und Kathode exakt positioniert und parallel ausgerichtet werden. Während des Wickelvorgangs wird ein Separator dazwischengeschoben. Gerade bei sehr dünnen Separatoren ist es wichtig, Faltenbildung zu vermeiden und trotzdem straff zu wickeln. Nach dem Wickeln werden die äußeren Lagen des Wickels durch weitere Separatoren gebildet.

Weitere Produktionsschritte sind das Einlegen des Wickels in einen Becher, das Falten der Becher, das Anschweißen der Ableiter, die Montage der Deckelteile und das Trocknen der offenen Zellen. Abschließend wird die Zelle mit dem Elektrolyt gefüllt und versiegelt. Dieser strukturierte Prozess garantiert die zuverlässige Funktion und lange Lebensdauer jeder am ZSW in Ulm gefertigten Rundzelle.

Batteriezellenfertigung Prozess: Die Leistungen des ZSW in Ulm

Am ZSW in Ulm bieten wir unseren Industriekunden, neben den Entwicklung von Elektroden und Zellen, auch ein breites Spektrum an Dienstleistungen rund um den Prozess der Batteriezellfertigung an. Wir stellen sicher, dass jeder Schritt der Batterieherstellung mit höchster Sorgfalt und Präzision durchgeführt wird, um den Anforderungen unserer Kunden gerecht zu werden. Für Fragen und weitere Informationen stehen die Mitarbeiter jederzeit zur Verfügung.

Ansprechpartner

Dr. Wolfgang Braunwarth
+49 731 9530-562
Produktionsforschung unter seriennahen Bedingungen (FPL) & 3D-CT Analytik

Ansprechpartner

Dr. Peter Axmann
+49 731 9530-404
Materialforschung & Elektroden und Zellen im Labormaßstab

Ansprechpartner

Dr. Alice Hoffmann
+49 731 95 30-558
Prototypen Entwicklung (u.a. wässrige Beschichtungen, nachhaltige Materialen)
Wissenschaftler bei der Rezepturenentwicklung für fortschrittliche Batterieproduktionstechniken am ZSW.
Rezepturenentwicklung für die Batterieproduktion am ZSW

Rezepturentwicklung

In diesem Schritt wird die optimale Materialmischung für die Elektroden entwickelt. Dies ist ein komplexer Prozess, bei dem das Aktivmaterial mit verschiedenen Additiven zu einer Dispersion kombiniert wird. Mit Rheometern, Dichtemessgeräten und Zetapotenzialmessgeräten analysiert das ZSW die Dispersionen und ermittelt die Auswirkungen der Rezeptur auf die Elektrochemie in Halb- oder Vollzellen.

Moderne thermostatisierbare Mischanlage, speziell für die Pastenherstellung in der Batteriefertigung mit 60-Liter-Kapazität.
Thermostatisierbare Mischanlage zur Pastenherstellung (60-l-Ansätze). Bild: ZSW/M. Duckek

Dispergieren

Um eine stabile Dispersion zu erhalten, muss das Aktivmaterial homogen mit anderen Komponenten gemischt werden. Hierfür stehen am ZSW verschiedene Geräte wie Dissolver, Planetenmischer, Homogenisiermischer und Rührwerkskugelmühlen zur Verfügung.

Moderne Beschichtungsanlage in der Batterieherstellung mit einem 20 Meter langen Trockenkanal.
Beschichtungsanlage mit 20m Trockenkanal

Beschichten

Für die Beschichtung der Elektroden mit Elektrodenpaste (Slurry) nutzen wir am ZSW verschiedene Verfahren: Commabar, Breitschlitzdüse oder Roll-to-Roll. Diese ermöglichen die Verarbeitung von Materialien in der Entwicklungsphase, auch wenn sie in geringen Mengen vorliegen, um Demonstrationszellen herzustellen. 

Unsere Beschichtungstechniken umfassen sowohl eine Labormaßstab-Anlage mit einem 8 m langen Trockenkanal als auch eine Industriemaßstab-Beschichtungsanlage. Diese industrielle Anlage bietet eine maximale Beschichtungsbreite von 400 mm, ermöglicht beidseitige Beschichtung, arbeitet mit einer Bandgeschwindigkeit von 30 m/min und verfügt über einen 20 m langen Trockenkanal (siehe Abbildung).

Hochmoderner Präzisionskalander mit 600 mm Walzenbreite, speziell entwickelt zum Verdichten der Elektroden in der Batterieherstellung
Kalandrieren der Elektroden: Präzisionskalander mit 600 mm Walzenbreite zum Verdichten der Elektroden

Kalandrieren

Nach dem Beschichten und Trocknen durchläuft die Elektrode einen Kalandrierprozess, der ihre Dichte und Porosität gezielt einstellt. Dieser Vorgang komprimiert die Elektrode um etwa 30 % und beeinflusst maßgeblich ihre Qualität und Energiedichte.

Hochmoderne Laserschneidanlage zum präzisen Zuschneiden von verdichteten Elektrodenbändern in der Batterieproduktion.
Die verdichteten Elektrodenbänder werden mit einer hochmodernen Laserschneidanlage zugeschnitten.

Schneiden / Stanzen

Nach dem Kalandrieren werden die hochverdichteten Elektrodenbänder im nächsten Schritt entweder mithilfe eines hochmodernen Laserschneiders für größere Zellen zugeschnitten (z. B. für große Pouchzellen oder PHEV-2-Zellen bis 80 Ah), oder für den Einsatz in kleineren Zellen gestanzt. Bei Bedarf können Elektroden mit individuellen Abmessungen nach Kundenwunsch angefertigt werden. Dafür steht eine hochmoderne Laserschneidanlage für die formvariable Herstellung der Batteriezellen zur Verfügung.

Zellen, die entweder als Prototypen konstruiert oder unter seriennahen Bedingungen in der Batterieherstellung gefertigt werden.
Zellen werden als Prototypen gebaut oder unter seriennahen Bedingungen hergestellt werden

Zellenbau

Wir entwickeln hochwertige Prototypen und Musterserien unter Einsatz innovativer Materialklassen sowie neuer und nachhaltiger Herstellverfahren. Dazu gehören 18650- und 21700-Rundzellen, einfach- und mehrfach-gestapelte Pouchzellen mit 5 bis 80 Amperestunden sowie Hardcase PHEV-2-Zellen. Unsere Ausstattung umfasst eine Labormaßstab-Pilotlinie sowie alle erforderlichen Anlagen zur Produktion von großen Lithium-Ionen-Zellen unter seriennahen Bedingungen.

Qualitätssicherungsmethode mittels 3D-CT, die eine zerstörungsfreie Prüfung der hergestellten Batteriezellen ermöglicht.
Qualitätssicherung mit 3D-CT ermöglicht eine zerstörungsfreie Untersuchung der hergestellten Zellen

Qualitätssicherung mit 3D-CT

Am ZSW steht eine zerstörungsfreie Visualisierung der internen Zellstruktur durch den Einsatz von 3D-Computertomografie Technologie (CT) zur Verfügung. Diese fortschrittliche Technik ermöglicht eine detaillierte Untersuchung der Architektur von Lithium-Ionen-Zellen sowie anderer Zelltypen in vielfältigen Formaten. Diese präzise Analyse auf mikroskopischer Ebene wird zur gezielten Identifikation und Darstellung von Anomalien oder Defekten.

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