Reduzierung der Fertigungsprozesszeit von Lithium-Ionen-Batteriezellen durch eine parametergestützte Analyse der Formierung in der Batteriezellproduktion

Der stark wachsende Bedarf an automobilen Batteriezellen stellt kurzfristig große Herausforderungen hinsichtlich der Zuliefersicherheit dar und wird langfristig elementar für den Erfolg einer lokal klimaneutralen Mobilität sein. Die Formierung, als Teilschritt der Finalisierung von Batteriezellen, stellt ein wesentliches Bottleneck in der Produktionskette dar und muss hinsichtlich Produktionsoutput und Produktionskosten bei gleichbleibender oder verbesserter Qualität optimiert werden.
Bei Betrachtung der Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge ergibt sich ein hohes Theoriedefizit in der Untersuchung der Umgebungsbedingungen Temperatur und mechanische Verspannung während der Formierung von Lithium-Ionen-Batteriezellen, weshalb diese in dieser Arbeit fokussiert werden. Aufbauend auf der Darstellung des Praxis- und Theoriedefizits werden die Implikationen auf die Qualität und Prozesszeit untersucht. Für eine zielgerichtete Betrachtung wurden die zu untersuchende Batteriezelle, die Untersuchungsparameter, die Untersuchungsvorrichtung und das Untersuchungsdesign inklusive Design-of-Experiment definiert und angewendet.
Im Rahmen der Untersuchungen konnte der Einfluss thermischer und mechanischer Umgebungsbedingungen auf die elektrochemischen Prozesse in der Formierung nachgewiesen werden. Die Prozesszeit der Formierung kann entscheidend verkürzt werden. Konkret konnte durch die mechanische Belastung eine Reduzierung der Prozesszeit von bis zu 34,00 % erzeugt werden. Die Entladekapazität konnte im Mittel um 18,00 % gesteigert werden. Hohe mechanische Verspannungen während der Formierung induzieren zudem eine reduzierte Zellerwärmung. Bezüglich der Zellperformance kann ein positiver Effekt der mechanischen Verspannung bei hohen Umgebungstemperaturen nachgewiesen werden. Bezogen auf den Druckverlauf mit mechanischer Verspannung kann ein Zusammenhang zwischen der Bildung der Solid-Electrolyte-Interphase und der gemessenen Kraft bzw. dem resultierenden Druck hergestellt werden. Die Reifelagerung hat einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Qualität. Eine adaptive Verspannung überwiegt im Ergebnis nicht einer konstanten Wegverspannung, weswegen diese aufgrund ihrer Kostenvorteile für die Warenträgerkonstruktion gewählt und in Form eines Demonstrators inklusive Automatisierungsfähigkeit umgesetzt wurde.