Am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden Württemberg (ZSW) startet im Januar 2018 das Forschungsprojekt STACK. Das Stapelverfahren für großformatige Li-Io-Zellen soll massentauglich werden. Was verspricht die neue Produktionstechnologie?

Elektroden stapeln statt wickeln

„Durch den Boom bei der Elektromobilität gibt es derzeit große Engpässe in den weltweiten Produktionskapazitäten für Lithium-Ionen-Zellen“, betont Prof. Dr. Werner Tillmetz, ZSW-Vorstand und Leiter des Geschäftsbereichs Elektrochemische Energietechnologien. „Das neue STACK-Projekt ermöglicht Unternehmen, künftig auch die Stapeltechnik in ihr Portfolio zu nehmen und damit einen weiteren Schritt in Richtung kostengünstige Massenfertigung großformatiger Li-Ionen-Zellen zu leisten.“

Dazu soll ein neuer Prozess für ultraschnelles und hochpräzises Einzelblattstapeln von Elektroden in Hochleistungsbatterien entwickelt werden. Die Wissenschaftler am ZSW wollen mit einem High-Tech-Stapler und einem neuartigen Separator Muster-Zellen im industriellen Maßstab herstellen und prüfen. Zur Analyse sollen auch 3D-Computertomografie-Röntgenscans an den Zellen durchgeführt werden.

Im Fokus von STACK steht der Vergleich von Wickelzellen mit Stapelzellen im sogenannten PHEV-1-Format. Dieses Zellformat beschreibt Zellen mit einem festen, quaderfömigen Aluminiumgehäuse, das viele Autohersteller bevorzugen.

 

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Vollautomatischer Elektroden-Wickler im ZSW Labor für Batterietechnologie (© ZSW)

Das Stapeln birgt auch Nachteile

Stapeln anstatt Wickeln der Elektroden hat bei rechteckigen Zellformaten wie den PHEV-1 Zellen einige Vorteile, so das ZSW. Es führt zu einem sehr homogenen Aufbau des Zellstapels und einer besseren Raumausnutzung des Gehäuses. Damit verbessert sich die Zellkapazität, Langlebigkeit und Sicherheit gegenüber gewickelten Lithium-Ionen-Zellen.

Doch das Einzelblatt-Stapelverfahren birgt auch Nachteile: Einer davon ist die geringere Verarbeitungsmenge bei den derzeit verfügbaren Anlagen für die Massenfertigung. Er liegt um den Faktor zwei bis sechs niedriger als beim Wickelverfahren. Zusätzlich ist bei großformatigen Zellen aufgrund der Forminstabilität die notwendige Präzision beim ultraschnellen Stapeln der einzelnen Elektroden-Blätter eine enorme Herausforderung.

 

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Im eLaB können Prototypen im 18650-Format (re.), Pouch-Format (li.) oder PHEV -1 -Format (mi.) erforscht und entwickelt werden (© ZSW)

Stapelverfahren soll massentauglich werden

Diese Nachteile sollen nun im STACK-Projekt kompensiert werden; die verbesserte Durchsatzgeschwindigkeit und die Präzision stehen dabei im Fokus. Denn sie entscheiden später über Herstellkosten und Produktausbeute bei einer kommerziellen Batterieproduktion.

Dafür nutzen die Beteiligten die prozesssichere Testumgebung „Forschungsplattform für die industrielle Produktion von großen Lithium-Ionen-Zellen (FPL)“ des ZSW in Ulm. Hier wollen die Wissenschaftler auch an dem neuen Herstellprozess feilen.

Das Forschungsprojekt „STACK“ hat eine Laufzeit von drei Jahren und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit insgesamt 2,7 Millionen Euro gefördert. (aho)

 

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Prismatische PHEV-1-Zelle mit Aluminiumgehäuse (Hardcase) und Flachwickel. (© ZSW)

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