EffiForm - Effiziente Formierungsstrategien zur Erhöhung der Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Sicherheit sowie der Kostensenkung in der Produktion von Lithium-Ionen-Zellen/Batterien

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Description

Elektrofahrzeuge sind auf den Straßen immer noch eine Seltenheit. Die hohen Kosten für Batteriezellen sind nach wie vor ein wesentliches Hemmnis für bessere Wirtschaftlichkeit und eine stärkere Verbreitung der Elektromobilität. Rund ein Drittel der Produktionskosten der Batterien entfallen momentan auf den finalen Fertigungsschritt der Formierung. Hierunter versteht man das erste elektrische Laden einer Batteriezelle, das entscheidend ist für deren Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Betriebssicherheit. Die Formierung sowie die anschließende Reifung gehören zu den wichtigsten Prozessschritten in der Produktion von Lithium-Ionen-Zellen. Während der Formierung werden die frisch hergestellten Zellen zum ersten Mal ge- und entladen, wobei viel Energie verbraucht wird. Dabei bilden sich wichtige Grenzschichten zwischen dem Elektrolyten und den Aktivmaterialien. Ihre Beschaffenheiten nehmen wesentlichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und das Alterungsverhalten der Zellen. Die Grenzschicht auf der Anodenseite wird als Solid Electrolyte Interphase, kurz SEI, bezeichnet, die auf der Kathodenseite als Cathodic Decomposition Layer, kurz CDL. Im Anschluss an die Formierung werden die Zellen über mehrere Tage gereift, um die Zelleigenschaften zu verbessern. In dieser Zeit werden verbliebene Nebenprodukte umgesetzt und der Elektrolyt kann sich in der gesamten Zelle verteilen, sofern er dies noch nicht geschafft hat. Sowohl die Formierung als auch die Reifung stellen derzeit zeitaufwändige und energieintensive Prozessschritte dar. Für die Lagerung während der Reifung muss zudem viel Platz bereitgestellt werden, was sich ebenfalls negativ auf die Produktionskosten auswirkt. Je nach Wahl der Prozessparameter kann eine Zelle bis zu 30 Tage benötigen, um die Formierung und Reifung zu durchlaufen. Zusammen machen die Prozesse der Formierung, Reife, Qualitätssicherung und Sortierung in der Lithium-Ionen-Zellherstellung ca. ein Drittel der Zellkosten aus und nehmen in der Regel anderthalb bis drei Wochen in Anspruch. Trotz der hohen Bedeutung innerhalb der Zellproduktion und dem hohen Kostenanteil am Produktionsprozess ist das bisherige Wissen über die chemischen Vorgänge während der Formierung und Reifung sowie den Einfluss von Prozessparametern auf die Produktqualität nur unzureichend untersucht. Im Projekt Effiform wird deshalb der Prozess der Formierung grundlegend erforscht – insbesondere die Ausbildung der SEI, aber auch der CDL. Ziel ist es, den Formierprozess zu beschleunigen, eine intelligente Prüfmethode zu etablieren, um die Zellen zu charakterisieren und schneller freigeben zu können, und Infrastruktur einzusparen. Dadurch sollen die Kosten der Zellproduktion stark reduziert werden. Außerdem soll durch verbesserte Formierungsparameter die Lebensdauer der Zellen deutlich verlängert und die Sicherheit weiter erhöht werden. Diese Ziele sollen mit State-of-the-art-Materialien (Graphit, NMC) erreicht werden. Parallel dazu soll untersucht werden, inwieweit die Ergebnisse auf neue Materialien wie Silicium-Kohlenstoff-Komposite übertragbar sind.