PressureBat

Lithium-Ionen-Batterien sind heute eine Schlüsseltechnologie für die Energiewende. Sie ermöglichen die Elektromobilität und werden zunehmend auch in stationären Speichern eingesetzt, um Strom aus Wind- und Solaranlagen bedarfsgerecht bereitzustellen. Damit leisten sie einen wesentlichen Beitrag zu klimafreundlicher Mobilität und einer sicheren Energieversorgung. Gleichzeitig stehen Hersteller vor der Aufgabe, Batteriezellen in großen Stückzahlen zuverlässig, kostengünstig und ressourcenschonend zu fertigen. Genau hier bestehen weiterhin erhebliche Herausforderungen: In der Batteriezellproduktion treten nach wie vor hohe Ausschussraten auf, insbesondere in der Anlaufphase neuer oder umgestellter Produktionslinien. Dieser Ausschuss erhöht den Material- und Energieeinsatz pro nutzbarer Zelle, verringert die Wirtschaftlichkeit der Fertigung und wirkt sich letztlich auf die Kosten von Batteriesystemen aus. Ein wesentlicher Grund ist, dass wichtige Einflussgrößen auf die Zellqualität zwar bekannt sind, in der Produktion jedoch bislang nicht ausreichend erfasst und systematisch genutzt werden. Dazu gehört insbesondere die mechanische Belastung im Zellinneren, die während zentraler Prozessschritte entsteht und Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Sicherheit der Zelle maßgeblich beeinflusst. Das Verbundprojekt »PressureBat« setzt an diesem Punkt an und verfolgt das Ziel, den inneren Zelldruck in Batteriezellen durchgängig zu erfassen und daraus konkrete Ansätze für eine verbesserte Prozessführung abzuleiten. Das Projektkonsortium entwickelt und integriert hierfür flächige Drucksensoren, die den Druck innerhalb der Zelle räumlich aufgelöst messen können. Dadurch wird erkennbar, ob und wo lokale Über- oder Unterbelastungen auftreten, die bislang häufig unentdeckt bleiben und erst später zu Fehlern oder beschleunigter Alterung führen. Die Messdaten werden entlang der Prozesskette systematisch ausgewertet, um typische Belastungsprofile zu bestimmen, mit Qualitätsmerkmalen der Zellen zu verknüpfen und daraus gezielte Optimierungsmaßnahmen abzuleiten. Damit entsteht ein durchgängiger Ansatz, der sowohl die Produktion als auch die spätere Nutzung von Batteriezellen um belastbare Informationen ergänzt. Der Innovationskern von PressureBat liegt darin, den inneren Zelldruck als neuen, prozessbegleitend erfassbaren Qualitätsparameter in der Batteriezellproduktion zu etablieren und damit eine Lücke in der bisherigen Qualitäts- und Zustandsbewertung zu schließen. Dies stärkt die Qualitätssicherung in der Fertigung, erhöht die Betriebssicherheit und kann die Lebensdauer von Batteriezellen verlängern, weil kritische Belastungen und beginnende Schädigungen früher erkannt und bewertet werden.

Das Vorhaben verfolgt einen durchgängigen Entwicklungs- und Validierungsansatz für zellintegrierte Drucksensorik in prismatischen Lithium-Ionen-Batteriezellen. Zunächst werden Druckbelastungen entlang der gesamten Zellproduktion analysiert und daraus Anforderungen an Sensorik, Messverfahren und Datenerfassung abgeleitet.

Darauf aufbauend werden geeignete Drucksensoren ausgewählt, auf ihre Materialbeständigkeit und Funktionalität geprüft und für die Integration in Batteriezellen weiterentwickelt. Anschließend wird ein skalierbares Konzept zur Einbindung der Sensorik in prismatische Zellen und industrielle Produktionsprozesse entwickelt, prototypisch erprobt und in einer produktionsnahen Umgebung umgesetzt.

Die erfassten Druckdaten werden genutzt, um kritische Belastungen während der Zellfertigung und -formierung zu identifizieren sowie Zusammenhänge zwischen Druckverläufen, Zellqualität und Alterung zu untersuchen. Daraus werden Maßnahmen zur Optimierung von Produktionsprozessen, Qualitätssicherung und Zellperformance abgeleitet. Abschließend wird eine druckbasierte Methodik zur Bewertung des Batteriezustands und zur Prognose der Lebensdauer auf Zell- und Modulebene validiert und weiterentwickelt.

Das Projekt schafft die Grundlage, den inneren Zelldruck als zusätzlichen Qualitäts- und Zustandsparameter in der Batteriezellproduktion und im Betrieb nutzbar zu machen. Die entwickelten Sensor-, Analyse- und Integrationskonzepte können künftig zur Verbesserung der Prozessführung, zur Reduzierung von Ausschuss sowie zur Erhöhung von Sicherheit und Lebensdauer von Batteriesystemen eingesetzt werden. Damit bieten die Ergebnisse Potenzial für eine industrielle Anwendung in der Zellfertigung, Qualitätssicherung und Batteriezustandsüberwachung