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).
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?
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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. 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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.