Ein innovatives Aktivmaterial alleine macht noch keine gute Batterie aus. Die Wechselwirkungen zwischen Elektrode und Elektrolyt entscheiden über Lebensdauer und Leistung. Die richtige Partikelmorphologie und ausgewählte Additive sind ausschlaggebend für die Herstellung von Elektroden. Zelldesign, Qualität und Geschwindigkeit der Herstellprozesse bestimmen Kosten und Qualität des Produktes. Dafür ist ein durchgängiges Verständnis über alle Prozessschritte unter realen Produktionsbedingungen Voraussetzung. Des Weiteren müssen sich neue Materialien oder Komponenten vor der kommerziellen Produktion qualifizieren und in Musterserien verifiziert werden.

Das Forschungsspektrum umfasst alle Prozessschritte zur Produktion von Lithium-Ionen-Zellen in verschiedenen Standardformaten (18650, Pouch- und PHEV-1-Zellen), als Prototypen und in Musterserien, vom Labormaßstab bis zur industriellen Produktion.

Ansprechpartner

Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens
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Elektroden & Zelltechnologie

Ansprechpartner

Dr. Wolfgang Braunwarth
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Produktions- und Prozessforschung
Prototypen

// Neue Rezepturen und Verarbeitungsverfahren für Elektroden und Zellen

Neue Materialien ermöglichen Fortschritte in der Performance von Batterien. Indem sie zu Elektroden und Vollzellen verarbeitet werden, können ihre Eigenschaften sowie ihre Wechselwirkung mit anderen Zellbestandteilen umfassend aufgeklärt und ihre Einsatzmöglichkeiten analysiert werden. Dazu erarbeitet das ZSW Rezepturen und geeignete Verarbeitungsverfahren mit dem die positiven Eigenschaften des Materials in die Zelle transportiert werden können. Eine umfangreiche Ausstattung mit Analyse- und Testgeräten ermöglicht eine fundierte Beurteilung der Auswirkung des Verarbeitungsweges einerseits auf das Material und andererseits auf die Eigenschaften der Elektroden und Zellen.

Am ZSW können Single-Layer-Pouch-Zellen, gestapelten Pouchzellen (z.B. 2 Ah), 18650-Zellen oder prismatischen Zellen (PHEV-1) hergestellt werden.

ZSW Batterieforschung - vom Pulver zur Vollzelle.
ZSW Batterieforschung - vom Pulver zur Vollzelle.

// Entwicklung von Elektroden

Untersuchungen an Elektroden mit dem Rasterelektronenmikroskop
Untersuchungen an Elektroden mit dem Rasterelektronenmikroskop

Je nach Anwendungsfall der Lithium-Ionen-Zelle ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die Flächenmassebelegung der Elektrode sowie an deren Mikrostruktur. Das ZSW verfügt über alle Anlagen und das Know-How zur Fertigung von Elektroden im kundenauftrag.

Elektroden für Hochleistungs-Zellen (High Power) werden 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. Analog bestimmt die Porosität der Elektroden deren Kinetik beim Lade- und Entladevorgang, ihre Energiedichte und auch deren Haftfestigkeit und Stabilität.

Untersuchungen mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM), Quecksilberporosimetrie und die elektrochemische Analyse von Elektroden ermöglichen es, den optimalen Elektrodenaufbau zu ermitteln.

 

 

// Entwicklung von Vollzellen

Mit der Abstimmung von Kathode und Anode aufeinander wird die Batteriezelle für eine beabsichtigte Performance ausgelegt. Dabei können Zyklenstabilität, Entladestromrate oder ein bestimmter Betriebstemperaturbereich im Vordergrund stehen.

Hierfür liefern zunächst elektrochemische Untersuchungen der Elektroden in Halbzellen wichtige Anhaltspunkte für eine geeignete Elektrodenbalancierung. Einen tieferen Einblick in die Wirkzusammenhänge ermöglichen elektrochemische Untersuchungen verschiedener Elektrodenkombinationen in Vollzellen mit Referenzelektrode.

Am ZSW können Single-Layer-Pouch-Zellen, gestapelten Pouchzellen (z.B. 2 Ah), 18650-Zellen oder prismatischen Zellen (PHEV-1) entwickelt und hergestellt werden.

Zyklenlebensdauer einer Lithium-Ionen-Zelle im Format 18650 mit neuem Lithiumeisenphosphat und neuem amorphem Kohlenstoff
Industrielle Produktion

// Forschungsplattform für die industrielle Produktion von großen Lithium-Ionen-Zellen (FPL)

Im ZSW können neben Prototypen kleiner Standardzellen im vorindustriellen Maßstab auch prismatische Wickelzellen, wie sie in Elektroautos oder zur Speicherung von Erneuerbarer Energie zum Einsatz kommen, erforscht. Kernthema ist die industrielle Produktion der Zellen sowie die Optimierung der einzelnen Produktionsprozesse. Mit dem Aufbau der "Forschungsplattform für die industrielle Produktion von großen Lithium-Ionen-Zellen (FPL)" wurde die Lücke beim Übergang vom Labormaßstab zur Serienfertigung geschlossen.

Seit Inbetriebnahme im Herbst 2014 konnten nach nur 4 Monaten im Januar 2015 die ersten PHEV-1-Zellen präsentiert werden. Zielsetzungen der industriellen Produktions- und Prozessforschung sind:

  • Demonstration fortschrittlicher Aktivmaterialien und Rezepturen in Standardzellen
  • Evaluierung neuer Materialien und Komponenten für die Produktion im industrierelevanten Umfeld
  • Erprobung und Optimierung neuer Produktionsverfahren und Anlagenkomponenten in modularer und prozesssicherer Testumgebung
  • Weiterentwicklung der für Qualität und Ausbeute entscheidenden Prozessparameter und Qualitätssicherungsmethoden im seriennahen Umfeld
Nach nur vier Monaten seit Inbetriebnahme konnten die ersten PHEV-1-Zellen präsentiert werden.
Die Qualität, Lebensdauer und Leistung der Elektrodenbänder sind entscheidend für die Lithium-Ionen-Zellen.
Die Qualität, Lebensdauer und Leistung der Elektrodenbänder sind entscheidend für die Lithium-Ionen-Zellen.

Alle Prozesse bis zur fertigen Lithium-Ionen-Zelle, von der Rezepturvorbereitung, über die Elektrodenherstellung, Zellassemblierung bis zur Formierung (die geladenen Zellen) können mit der modular aufgebauten Anlage unter seriennahen Bedingungen entwickelt, optimiert und qualifiziert werden. Die Plattform ist ausgelegt auf eine PHEV-1-Zelle (20 Ah+) pro Minute mit serientauglichen Prozessen.

Mit diesem weltweiten Leuchtturm wurde die Blaupause für die kommerzielle Zellproduktion für Deutschland am ZSW in Ulm etabliert. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat die Anlagenausrüstung mit 25,7 Millionen Euro gefördert, die Gebäudeerweiterung vom Ministerium für Finanzen und Wirtschaft (MFW) des Landes Baden-Württemberg mit sechs Millionen Euro.

Prozessforschung

// Vom Pulver bis zur Zelle - Kontinuierlich besser werden

Damit die besten Batterien für Elektroautos oder zur Speicherung von Wind- und Sonnenenergie künftig aus Deutschland kommen, arbeitet das ZSW zusammen mit Industriepartnern. Ziele sind die kontinuierliche Optimierung und Erforschung von Produktionsabläufen mit neuen Materialien, oder verbesserten Anlagenkomponenten, um wichtiges vorwettbewerbliches Produktions-Know-How zu generieren.

Neue Materialien können jedoch ganz neue Anforderungen an den Herstellungsprozess stellen. Beispielsweise erfordert die Substitution des gesundheitlich und ökologisch schwer bedenklichen organischen Lösungsmittels NMP (N-Methyl-2-pyrrolidon) durch Wasser den Einsatz alternativer, wasserkompatibler Binder und dadurch einen neuen Verarbeitungsprozess zur Anodenbeschichtung.

Am ZSW können Elektroden und Zellen vom Labormaßstab und im industriellen Maßstab entwickelt und hergestellt werden. Zur Verfügung stehen sämtliche Anlagen um alle Prozessschritte der Zellfertigung abzubilden.

Rezepturentwicklung

Beim Herstellen von Elektroden wird das Aktivmaterial mit Leitzusätzen, Bindern und ggf. weiteren Additiven zu einer Dispersion verarbeitet und auf eine Kollektorfolie beschichtet. Dabei wirken sich alle Bestandteile der Rezeptur sowohl auf die Verarbeitbarkeit, als auch auf die Eigenschaften der fertigen Elektroden wie beispielsweise Haftfestigkeit und Strombelastbarkeit aus.

In der Rezepturentwicklung wird eine Materialkomposition erarbeitet, mit der ein reproduzierbarer Verarbeitungsprozess möglich ist und die gefragten Materialeigenschaften analysiert werden können.

Zur Analyse von Dispersionen stehen Rheometer mit Rotations- und Oszillationsmodus, Dichtemessgeräte sowie ein Zetapotentialmessgerät zur Verfügung, während die Auswirkung der Rezeptur auf die Elektrochemie anhand von Laborelektroden in Halbzellen oder in Vollzellen ermittelt werden kann.

Automatisches Abwiegen und Zuführen der Materialien. Bild: ZSW/M. Duckek
Automatisches Abwiegen und Zuführen der Materialien. Bild: ZSW/M. Duckek
Dispergieren

Zur Herstellung von Beschichtungsdispersionen muss das Aktivmaterial zunächst mit den anderen Bestandteilen zu einer möglichst homogenen und stabilen Dispersion verarbeitet werden, ohne dabei beschädigt zu werden. Dabei nimmt jedes Material Einfluss auf die Verarbeitung und das Beschichtungsergebnis. Hier spielt bei den Aktivmaterialien beispielsweise die Partikelmorphologie eine große Rolle.

Zur Ausarbeitung eines  geeigneten Verfahrens stehen am ZSW Dissolver und Planetenmischer in verschiedenen Größen sowie ein Homogenisiermischer und eine Rührwerkskugelmühle zur Verfügung. Insgesamt wird der Bereich 250 ml bis 60 Liter Slurry-Ansätze abgedeckt. 

Thermostatisierbare Mischanlage zur Pastenherstellung (60-l-Ansätze).
Thermostatisierbare Mischanlage zur Pastenherstellung (60-l-Ansätze). Bild: ZSW/M. Duckek
Beschichten

Zum Beschichten der Elektroden mit der Elektrodenpaste (Slurry) stehen am ZSW verschiedene Verfahren in zur Verfügung: Mit Commabar, Breitschlitzdüse oder Rolle zu Rolle kann die Dispersion auf eine Kollektorfolie aufgetragen werden. Dadurch ist es einerseits möglich, auch Materialien im Entwicklungsstadium, die erst in geringen Mengen zur Verfügung zu stehen, mit einer professionellen Maschine zu verarbeiten und erste Demonstrationszellen herzustellen. Andererseits können mit größeren Materialmengen hochwertige Elektroden  im Hinblick auf eine große Homogenität, gezielte Flächenmassebelegung, definierte Beschichtungsmuster (intermittierende Beschichtung) entwickelt werden.

Unsere Beschichtungsverfahren umfassen Anlagen für den Labormaßstab (s. Abb.) bis zur beidseitigen Beschichtungsanalge im Industriemaßstab (mit 500 mm Beschichtungsbreite, 30 m/min. Bandgeschwindigkeit und 20 m Trockenkanal).

Beschichtungsanlage im Labormaßstab mit 8 m Trockenkanal
Beschichtungsanlage im Labormaßstab mit 8 m Trockenkanal. Bild: ZSW/S. Ströbele
Trocknen der Elektroden

Der Trocknungsprozess nach dem Beschichten beeinflusst stark die spätere Elektrodenqualität. Die Beschichtungsanlagen des ZSW weisen daher mehrere voneinander unabhängige Ofenstationen auf, an denen Temperatur und Luftwechselrate unabhängig voneinander eingestellt werden können.

Industrielle Beschichtungsanalge für Elektroden mit 20 m Trockenkanal. Bild: ZSW
Industrielle Beschichtungsanalge für Elektroden mit 20 m Trockenkanal. Bild: ZSW
Kalandrieren

Nach dem Beschichten und Trocknen werden die Dichte und Porosität der Elektroden gezielt eingestellt. Beim  Kalandrieren werden die nur 50 bis 100 Mikrometer dünn beschichteten Elektroden nochmals um rund 30 % verdichtet. Dieser Vorgang soll einerseits eine gute Kontaktierung zwischen den Aktivmassepartikeln herstellen und andererseits auch die Porosität passend für den Elektrolytzugang in die Poren ermöglichen.

Die genaue Einstellung der Elektrodenmikrostruktur bestimmt die dominierenden Transportmechanismen und damit die kinetischen Eigenschaften der Elektroden - und beeinflusst die Qualität der Zelle maßgeblich. Desweiteren wird durch die Verdichtung beim Kalandrieren die Energiedichte der Elektroden erhöht und deren Haftfestigkeit und Stabilität beeinflusst.

Präzisionskalander mit 600 mm Walzenbreite zum Verdichten der Elektroden. Bild: ZSW/M. Duckek
Präzisionskalander mit 600 mm Walzenbreite zum Verdichten der Elektroden. Bild: ZSW/M. Duckek
Schneiden / Stanzen

Die verdichteten Elektrodenbänder werden entweder für den Einbau in 18650-Zellen und PHEV-1-Zellen geschnitten, oder für den Einbau in Pouch-Zellen gestanzt. Dabei beträgt beispielsweise die Elektrodenbreite für 18650-Zellen üblicherweise 57 mm, während Pouch-Elektroden im Standard-Format die Abmessungen 63 mm x 38 mm bzw. 65 mm x 40 mm aufweisen. Auch andere Maße von Pouch-Elektroden können auf Wunsch realisiert werden.

Im Bereich der industriellen Zellproduktions können Elektroden für PHEV-1-Zellen mit einem Rollenschneider mit vier unterschiedlichen Schneideeinehiten exakt angepasst werden (s. Abb.).

Die am ZSW verwendeten Bandschneidemaschinen gewährleisten einen scharfen, gratfreien Kantenschnitt sowie durch Bahnkantensteuerung und Zugkontrolle eine hochpräzise Aufwicklung und schonende Materialbehandlung.

Rollenschneider (30 m/min.) mit  austauschbaren Schneideeinheiten mit je 4 Messern und Bürstensystem zur Reinigung der geschnittenen Elektrodenbänder.
Rollenschneider (30 m/min.) mit austauschbaren Schneideeinheiten mit je 4 Messern und Bürstensystem zur Reinigung der geschnittenen Elektrodenbänder. Bild: ZSW/M. Duckek
Zellenbau

Am ZSW können Single-Layer-Pouch-Zellen, gestapelten Pouchzellen (z.B. 2 Ah), 18650-Zellen oder prismatische Zellen (PHEV-1) hergestellt werden. Am Institut werden die Zellen nicht nur zusammengebaut, sondern darüberhinaus erfolgen detailierte Analysen zu den Zellkomponenten, was insbesondere zur Entwicklung oder Optimierung neuer Zellen von großer Bedeutung ist.

18650-Zellen
ZSW-Lithium-Ionen-Zelle im 18650 Foramt. Bild: ZSW
ZSW-Lithium-Ionen-Zelle im 18650 Foramt. Bild: ZSW
Halbautomatischen Wickelmaschine. Bild: ZSW/M. Duckek
Halbautomatischen Wickelmaschine. Bild: ZSW/M. Duckek

Zur Assemblierung von Zellen wird das Material in den Trockenraum mit einem Taupunkt von unter -60 °C eingeschleust. Dort werden zunächst die Anode und die Kathoden im Vakuum-Ofen nach ZSW-Verfahren getrocknet. Auf einer halbautomatischen Wickelmaschine werden je eine Anode und eine Kathode exakt positioniert, parallel ausgerichtet und mit Separator bei kontrolliertem Zug gewickelt. Je nach verwendeten Materialien ergeben sich spezielle Anforderungen. So liegt bei sehr dünnen Separatoren beispielsweise das Augenmerk darauf, Faltenbildung zu vermeiden und dennoch straff und mit parallelem Bahnverlauf zu wickeln.  Die äußeren Lagen werden durch überschüssigen Separator gebildet. Nach dem Einhausen in den Becher folgen

  • das Falzen der 18650-Becher
  • das Anschweißen der Ableiter an Gehäuse und Deckel
  • der Zusammenbau der Deckelteile
  • Trocknen der offenen 18650-Zelle nach ZSW-Prozess
  • Befüllen mit Elektrolyt Verschließen

Ansprechpartner

Dr. Alice Hoffmann
+49 (0)731 95 30-558
Pouch-Zellen

Am ZSW steht eine professionelle Stapel-Wickel-Maschine zur Verfügung, mit der reproduzierbar Pouch-Zellen aus Elektroden mit Kantenlängen im Bereich von 40 mm x 65 mm hergestellt werden können. Mit gängigen Materialien lassen sich Kapazitäten von bis zu 2 Ah darstellen. Auf Wunsch entwickeln wir auch Sonderformate.

Ansprechpartner

Dr. Alice Hoffmann
+49 (0)731 95 30-558
Stapelmaschine zur halbautomatischen Herstellung von Pouch-Zellen
Stapelmaschine zur halbautomatischen Herstellung von Pouch-Zellen. Bild: ZSW/M. Duckek
Prismatische Wickelzellen

Die Assemblierung prismatischer Wickelzellen erfolgt voll automatisiert in einem  im 200 m2 großen Trockenraum mit einem Taupunkt von -60 °C der für die Erprobung neuer Assemblierungstechnologien ausgelegt ist. Die daran anschließende Befüll- und Aktivierungsanlage ist ausgelegt auf eine Taktzeit von einer Zelle pro Minute. Zur ebenfalls vollautomatischen Zellformierung steht auf 70 m2 Fläche ein sauerstoffreduzierter Raum mit 240 temperierbaren Zyklisierplätzen sowie 2.016 Lagerplätzen zur Verfügung (s. Abb.). 

Ansprechpartner

Dr. Wolfgang Braunwarth
+49 (0)731 95 30-562
Vollautomatische Formierung mit 240 temperierbaren Zyklisierplätzen und 2.016 Lagerplätzen.
Vollautomatische Formierung mit 240 temperierbaren Zyklisierplätzen und 2.016 Lagerplätzen. ZSW/M. Duckek