Elektromobilität
09.01.2018

Lithium-Ionen-Batteriezellen: Stapeln statt Wickeln

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

Forscher und Industrie arbeiten an einer neuen Produktionstechnologie, um ein Stapel-Verfahren für Lithium-Ionen-Zellen Massenproduktionstauglich zu machen. Das Ziel: eine Hochleistungsbatterie-Fertigung in Deutschland.

Hersteller aus Korea und Japan haben Deutschland bei der Batteriezellproduktion abgehängt. Doch deutsche Forscher und die Industrie arbeiten an Plänen für eine eigene Fertigung, um in Zukunft weniger abgängig von den Lieferanten aus Asien zu sein. Der Automobilzellen-Markt wird voraussichtlich extrem dynamisch wachsen: Experten erwarten bis 2025 einen weltweiten Umsatz von mehr als 50 Milliarden Euro. Um der Konkurrenz aus Fernost etwas entgegen zu setzen, arbeiten Wissenschaftler und Unternehmen am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm an einer neuen Produktionstechnologie für Batteriezellen in rechteckiger Bauform. Sie werden auch prismatische Zellen genannt.

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Während Tesla und Panasonic in der „Gigafactory“ in Nevada sowie andere große Hersteller auf die einfachere, auch für Laptops verwendete Rundzelle setzen, konzentriert sich die Forschung am ZSW auf die prismatische Zelle. Diese Variante der Lithium-Ionen-Batterie ist bei Elektro- und Hybridfahrzeugen immer mehr im Kommen und wird beispielsweise im BMW i3 verbaut. Die Forscher wollen die Elektroden nicht wie herkömmlich wickeln, sondern stapeln. Der Vorteil: Der Raum im Gehäuse, dem „Hardcase“, wird besser ausgenutzt, wodurch sich die Kapazität der Zelle verbessert. Außerdem ist sie langlebiger und sicherer als die gewickelte Variante.

Engpässe in weltweiter Batterie-Produktion

„Durch den Boom bei der Elektromobilität gibt es derzeit große Engpässe in den weltweiten Produktionskapazitäten für Lithium-Ionen- Zellen“, sagt 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 kostengünstigere Massenfertigung großformatiger Li-Ionen-Zellen zu leisten“, sagt er. Mit an Bord sind Partner wie der Reutlinger Maschinenbauer Manz und der Materiallieferant Freudenberg Performance Materials aus Weinheim.

Einer der größten Nachteile des Stapelns von Einzelblättern bei den derzeitigen Anlagen für die Massenfertigung ist der geringe Durchsatz. Die Herausforderung liegt darin, die einzelnen Komponenten – Elektroden und Seperator – gleichmäßig und präzise abwechselnd aufeinander zu stapeln. „Bei Folienzellen muss eine Schicht auf die andere gelegt werden, bis man das Stack hat, das dann ins Zellgehäuse eingeführt wird“, erklärt Ehsan Rahimzei, Batterie-Experte beim VDMA. Hinzu komme, dass beim Einzelblatt-Stapelverfahren die einzelnen Elektrodensheets fürs Stapeln zunächst ausgeschnitten werden müssen – ein zusätzlicher Prozess-Schritt gegenüber Stacks die gewickelt werden.

Raum in der Zelle wird besser genutzt

Dennoch liegen die Vorteile des Stapelns auf der Hand: Der Raum im Gehäuse einer prismatischen Zelle, dem „Hardcase“, wird besser ausgenutzt, wodurch sich die Kapazität der Zelle verbessert. Außerdem ist sie langlebiger und sicherer als die gewickelte Variante. „Ziel der Technologie ist die Fertigung von Zellen mit einer vergleichbaren Produktionsgeschwindigkeit wie bei Wickeltechnologien“, erklärt Maximilian Wegener, bei Manz zuständig für Prozessentwicklung Energy Storage. „Die Energiedichte soll jedoch auf dem Niveau von konventionell gestapelten Zellen liegen.“

Jeder einzelne Prozessschritt der industriellen Produktion von Lithium-Ionen-Zellen hat Einfluss auf deren Leistungsfähigkeit, Qualität und Kosten. Um diese Zusammenhänge systematisch aufzuklären und für alle Akteure in Deutschland zugänglich zu machen, betreibt das ZSW seit 2014 eine „Forschungsplattform für die industrielle Produktion von großen Lithium-Ionen-Zellen“. Auch aus Sicht von VDMA-Experte Rahimzei handelt es sich um einen „wichtigen Forschungsschritt, der für Effizienz und Kosten der Zell-Produktion von Vorteil sein könnte“. Das Forschungsprojekt „Stack“ hat eine Laufzeit von drei Jahren und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit insgesamt 2,7 Millionen Euro gefördert. Es hat im Januar 2018 begonnen.

Info: Batteriezellen

Tesla setzt auf die sogenannte 18650-Rundzelle, die 18 Millimeter im Durchmesser und 65 Millimeter in der Höhe misst. Sie ist einfach zu produzieren, mechanisch sehr stabil und erreicht im Vergleich zu anderen Formen die größten Energiedichten. Im neuen Model 3 kommt nun ein neues Batterieformat zum Einsatz: Die 21-70-Zelle, also mit 21 mm im Durchmesser und 70 mm in der Höhe. Rundzellen werden aktuell am meisten genutzt, unter anderem weil die Produktionskosten am geringsten sie am einfachsten zu beschaffen sind. Außerdem erreichen sie im Vergleich zu prismatischen und Folien-Zellen die größten Energiedichten. Dafür ist das Packaging – hier die Nutzung des Raumes – und die Wärmeabfuhr verglichen mit den zwei anderen Bauformen als nachteilig zu sehen. Laut Ehsan Rahimzei vom VDMA hat jedoch jede Zellform ihre Vor- und Nachteile: „Es wird auch in Zukunft mehrere Lösungen geben“.

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Jutta Maier
Keywords:
Elektromobilität | Autobatterien | Batterieproduktion
Ressorts:
Technology | Markets

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