Server

Kurzbeschreibung

Das geplante Forschungsprojekt »Server« zielt darauf ab, die Zellfinalisierung einerseits durch ein innovatives Anlagenkonzept und andererseits durch innovative Prozessanpassungen hinsichtlich geringerer Prozesskosten und Prozessenergie zu optimieren. Darüber hinaus soll durch den angepassten Formiersprozess die resultierende Energieeffizienz und Nutzungsdauer der Batteriezellen verbessert werden, was die Nachhaltigkeit der produzierten Batteriezellen während des Gesamtlebenszyklus verbessert. Als innovatives Anlagenkonzept soll die serielle Verschaltung von Batteriezellen während der Formierung entwickelt werden. Dadurch werden mehrere Zellen gleichzeitig geladen, anstatt wie bisher üblich jede Zelle individuell. Diese Methode verspricht eine signifikante Kostensenkung und Steigerung der Energieeffizienz durch weniger Leistungselektronik, Stromleitungen und Umwandlungsverluste. Demgegenüber stehen technische Herausforderungen wie die Sicherstellung gleicher Ladezustände sowie die elektrische Kontaktierung der seriell verschalteten Batteriezellen, welche in diesem Projektvorhaben bewerkstelligt werden sollen. Im Rahmen des Projekts soll an der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB) in Münster ein Demonstrator zu diesem innovativen Anlagenkonzept zur Zellfinalisierung aufgebaut werden, um die Machbarkeit und Überlegenheit dieses Anlagenkonzeptes nachzuweisen. Es wird ein Technology Readiness Level von Stufe 6 bis 7 angestrebt.

Als innovative Prozessanpassung soll der Zellfinalisierungsprozess (insbesondere Formierung und Qualitätsprüfung) optimiert werden, um einerseits die Prozesszeit und den Energieverbrauch zu reduzieren und andererseits die Zellqualität hinsichtlich Energieeffizienz und Langlebigkeit zu verbessern. Dies soll mithilfe von modellbasierten Methoden erfolgen. So werden zur Prozessoptimierung Simulationen und Vorhersagen auf Basis von künstlicher Intelligenz durchgeführt. Dies wird gekoppelt mit innovativer Messtechnik wie der schnellen elektrochemischen Impedanzspektroskopie (rapidEIS). Die modellbasierte Simulation des Formierungsprozesses ermöglicht eine zielgerichtete Verbesserung der Solid Electrolyte Interface (SEI)-Qualität. Durch mathematische Optimierungen in der Simulationsumgebung kann so beispielsweise die SEI-Schichtdicke minimiert werden, um eine bessere Energieeffizienz und Langlebigkeit der Batteriezelle zu erreichen. Die rapidEIS ermöglicht eine schnelle und detaillierte Qualitätsbewertung der formierten Batteriezellen. Dadurch können konventionelle und langwierige und energieintensive Testverfahren zur Bestimmung der Zellqualität substituiert werden, welches Prozesszeit und Energie einspart. Insgesamt leistet das Projektvorhaben einen wichtigen Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit in der Batteriezellfertigung. Außerdem können die Produktionskosten verringert werden.

Das gesamte Projekt wird in insgesamt fünf Arbeitspakete aufgeteilt:

AP1 Projektmanagement und -koordination: AP 1 umfasst die aktive Koordination der Zusammenarbeit zwischen den Projektpartnern durch den Projektkoordinator. Dazu gehört die Organisation der Projektstellung und Lenkung der Projektaktivitäten. Durch fortlaufendes Projektmonitoring wird die Termin- und Meilensteinerreichung sichergestellt. Zudem übernimmt der Projektkoordinator die Organisation des Berichtswesen und der Veröffentlichungsplanung.

AP2 Batteriezellfertigung und -testung: In diesem AP erfolgt die Fertigung und Testung der Batteriezellen. Dazu werden an der Fraunhofer FFB großformatige Pouchzellen in einem industrierelevanten Maßstab gefertigt. Außerdem werden kleinformatige Zellen im 3-Elektroden-Format hergestellt und getestet, welche für die Modellparametrierung zur Prozessoptimierung (AP4) notwendig sind. Zu Beginn wird der Referenzprozess der Zellfinalisierung als Benchmark für das Projekt festgelegt. Dazu werden Messungen zur Ermittlung des tatsächlichen Energiebedarfs durchgeführt. Außerdem erfolgt in diesem AP die Materialbeschaffung und Produktionsplanung. Die gefertigten Batteriezellen werden anschließend auf deren Leistungsfähigkeit und Lebensdauer mit verschiedenen Testverfahren geprüft.

AP3 Entwicklung der seriellen Verschaltung für die Zellfinalisierung: Zu Projektbeginn werden Markt-, Literatur- und Patentrecherchen zur seriellen Verschaltung von Batteriezellen durchgeführt und die Anforderungen für einen Demonstrator an der Fraunhofer FFB festgelegt. Darauf aufbauend werden Konzepte für die Zellfinalisierung, Lade- und Messtechnik sowie ein Lastenheft erstellt, wobei die Partner FFT, INGUN und Safion eingebunden werden. Es wird ein Formiertray für 6–10 Zellen mit einstellbarem Druck, ein aktives Thermomanagement sowie ein Balancing-System zur automatisierten Ladezustandsanpassung entwickelt und die zugehörige Hardware implementiert. Für verlustarme Bestromung, präzise Spannungs- und Temperaturüberwachung werden neuartige Kontaktierlösungen und Sensorik entwickelt, die in die Demonstratoranlage integriert werden. Parallel wird die rapidEIS-Messtechnik für die Signalanregung, Einzelzell-Spannungsmessung und Systemintegration optimiert, um eine effiziente und störungsarme Überwachung der seriell verschalteten Zellen sicherzustellen.

AP4 Optimierung des Zellfinalisierungsprozesses: Zu Projektbeginn werden Recherchen zu Modellierungs- und Messmethoden für die Zellfinalisierung von Batteriezellen durchgeführt, um Prozesszeit und Energieverbrauch zu reduzieren und die Zellqualität zu verbessern. Dabei kommen physiko-chemische, elektro-thermische und KI-basierte Modelle zum Einsatz, die parametrisiert, trainiert und für Simulationsstudien genutzt werden, um SEI-Qualität, Langlebigkeit und Energieeffizienz zu optimieren. Auf Basis der rapidEIS-Daten werden kritische Prozessparameter identifiziert, KPIs abgeleitet und automatisierte Auswertungsalgorithmen sowie Software-Tools für Visualisierung, Überwachung und dynamisches Feedback entwickelt. Verschiedene Optimierungsansätze werden zunächst mit Referenzelektroden an Testzellen erprobt und anschließend auf großformatige Pouchzellen übertragen, um praktische Verbesserungen im Formierungsprozess umzusetzen.

AP5 Demonstration und Validierung: In diesem Arbeitspaket wird der Demonstrator für die serielle Verschaltung in der Zellfinalisierung an der Fraunhofer FFB aufgebaut und in die bestehende Produktionslinie integriert. Nach Anpassung der Testkammer und Einbindung der zuvor entwickelten Komponenten wird die Funktionalität überprüft und die Anlage in Betrieb genommen. Anschließend werden die Optimierungsansätze aus AP 4 auf den Demonstrator übertragen, Prozessanpassungen durch serielle Verschaltung untersucht, der Energiebedarf gemessen und Einsparpotenziale sowie Verbesserungen der Zellqualität validiert. Abschließend erfolgt eine techno-ökonomisch-ökologische Bewertung (TÖÖB), inklusive Technologie-Screening, Kostenanalyse und Life-Cycle-Assessment.