forschung fÜr die produktion von lithium- ionen …€¦ · institut für werkzeugmaschinen und...

Institut für Werkzeugmaschinen

und Betriebswissenschaften

Prof. Dr.-Ing. M. Zäh

Prof. Dr.-Ing. G. Reinhart

© iwb 2013

FORSCHUNG FÜR DIE PRODUKTION VON LITHIUM-

IONEN-ZELLEN AM IWB

JAKOB KURFER





© iwb 2013

Vorstellung iwb

Folie 2

München

Nürnberg

iwb Anwenderzentrum

Augsburg

iwb Garching

Fraunhofer Projekt-

gruppe

Anwendungsnahe Forschung

und Technologietransfer

Ressourceneffiziente Mechatronische

Verarbeitungsmaschinen

Forschung und

Lehre auf dem

Gebiet der

Produktionstechnik





© iwb 2013 Folie 3

Vorstellung iwb

Forschungsgebiete

Unternehmensplanung

und -organisation

Mechatronische

Produktionssysteme

Fertigungs- und

Montagetechnologie





© iwb 2013

Vorstellung iwb

Forschungsstruktur des iwb

23.01.2

014

Folie 4

Qualitäts-

sicherung

Handhabungs-

technologien für

formvariable

Produkte

Additive

Fertigung

Gestaltung

manueller und

hybrider Montage-

systeme (MRK)

Fertigungs-

technik und

AzA

Dr.-Ing.

Johannes

Schilp

Energieeffizienz

und Leichtbau

Struktur-

verhalten

Zerspanungs-

prozesse

Werkzeug-

maschinen

Dipl.-Ing.

Oliver Rösch

Fügen und Trennen

von CFK

Laserfertigungs-

technik

Reib-

schweißen

Füge- und

Trenntechnik

M. Sc.

Markus

Schweier

Intelligente

Auftrags-

abwicklung

Ressourcen-

effiziente

Wertschöpfungs-

netzwerke

Planung undSteuerung

Dipl.-Ing.

Florian

Geiger

Flexible

Verarbeitungs-

maschinen

Steuerungs-

entwicklung und

Anlagensimulation

MechatronischeEntwicklungs-

prozesse

Dipl.-Ing.

Peter

Stich

Funktions-

integrierter

Leichtbau

Industrielle

Biotechnologie

Komponentenund Prozesse

Dr.-Ing.

Johannes

Schilp (komm.)

Intelligente

Reinigung

Bionik in der

Produktions-

organisation

Technologie-

management in

der Produktion

Mensch

in der Fabrik

Produktions-

management

und Logistik

Dipl.-Ing.

Jan-Fabian

Meis

Robotik

Batterie-

produktion

Montage-

prozesse

Montage-

technik und

Robotik

Dipl.-Ing.

Jakob

Kurfer

Gestaltung und

Betrieb

Ressourcen-

effiziente

Gestaltung und

Betrieb

Planung und

Bewertung

Planung und

Bewertung der

Ressourcen-

effizienz

Ressourcen-effizienteFabriken

Ressourcen-effizienteFabriken

Dipl.-Ing.

Florian

Karl

Prof. Dr.-Ing.

Michael F.

Zäh

Prof. Dr.-Ing.

Gunther

Reinhart

Prof. Dr.-Ing.

Gunther

Reinhart





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Dezentrale Stationäre Batteriespeicher

zur effizienten Nutzung Erneuerbarer

Energien und Unterstützung der

Netzstabilität

Förderer: Bayerisches

Wirtschaftsministerium

Laufzeit: 01.03.2013-

31.08.2016

Exzellenz-Zentrum für

Batteriezellen an der TUM

Förderer: BMBF

Laufzeit: 01.08.2012-31.07.2015

Batterieproduktion am iwb

Folie 5

Projektübersicht

Produktionstechnik für Lithium-

Ionen-Zellen

Förderer: BMBF

Laufzeit: 01.01.2012-31.12.2014

Produktionstechnisches

Demonstrationszentrum für

Lithium-Ionen-Zellen

Förderer: BMBF

Laufzeit: 01.05.2010-30.06.2011

Aufbau einer

Forschungs-

produktionslinie

für Lithium-

Ionen-Zellen





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Folie 6

Forschungsschwerpunkte

• Qualitätssicherungsmethoden

• Stellhebel für Qualität und Kosten

• Schlüsselprozesse wie Laserschneiden,

Elektrolytbefüllung und Handhabung

• Fokus auf industrienahen,

automatisierten Prozessen für Pouch-

Zellen und Hardcase-Zellen

Infrastruktur

• Realistische Umgebungsbedingungen in

Trocken- und Reinraum

• 190 m² Laborfläche

• Abbildung der gesamten Prozesskette

vom Beschichten bis zum Zelltest

• 15 Testkanäle mit Klimakammern

Quelle(n): TUM, Heddergott





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Abbildung im industriellen Maßstab am iwb

Elektrodenherstellung

Folie 7

Aktivmaterial

Bindemittel

Leitadditiv

Lösemittel

Kalandrieren

• Verdichten vs.

Porosität

• Einstellung

einer

gleichmäßigen

Schichtdicke

Trocknen

• Entfernung

von

Feuchtigkeit

• Lange Bahnen

• Lösemittel

rückgewinnen

Beschichten

• Gleichmäßige

Beschichtung

• Vielzahl an

Verfahren

• Ein- oder

zweiseitig

Mischen

• Homogenität

der Emulsion

• Batch oder

kontinuierlich

• Hoher Einfluss

auf Qualität


JOSSEN & WEYDANZ 2006, LINDEN & REDDY 2010





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Folie 8

Laserstrahltrennen von Elektrodenfolien

14,10

μm

30,72

μm

20,29

μm50 µm

20,03

μm

4,24

μm

5,01

μm50 µm

Technische Umsetzung:

• IPG Faserlaser mit 3D-Scanner

•Wellenlänge: 1064 nm

•Mittlere optische Leistung: 100 W

•Automatisierte Kantenerkennung

•Magazinierung der Elektroden

•Absaugung der Partikel im Schneidspalt

Laserschneiden_kurz_klein_ohne Ton.wmv

Laserschneiden_kurz_klein_ohne Ton.wmv





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Folie 9

Zellstapelbildung durch Z-Falten

Prozessbewertung und -auswahl:

1 2 3 4

Zykluszeit - + + 0

Elektrodenhandhabung + - - +

Separatorhandhabung - 0 + +

Energiedichte + 0 - +

FlachwickelnEinzelblattstapeln

Z-Falten Z-Falten mit Einzelelektr.

Separator

Kathode

Ableiter

Anode

Einseitig

beschichtet

A S C

SA

S

C

Faltung

1 2

43

AS

C

Technische Umsetzung:

•Kontinuierliche Separatorzuführung

•Einzelblattelektroden aus Magazinen

•Handhabung durch 4-Achs-Kinematiken

•Bewegter Falttisch, feste Rollen

•Automatisierte Stapelweiterverarbeitung

Bilder: TUM (A. Heddergott)

Z-Falten_lang_klein_ohne Ton.wmv

Z-Falten_lang_klein_ohne Ton.wmv





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• Evakuierung der Zelle

• Reduzierung des Unterdrucks

• Befüllung inkrementell / kontinuierlich / schlagartig

• Druckprofile: Über-/Unterdruck alternierend


Vakuumbefüllen

Befüllung Wetting (Benetzen)

Folie 10

t





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Prinzip der Thermografie:

•Analyse des Abkühlverhaltens thermisch

angeregter Prüfteile

Folie 11

Forschungsansatz - Thermografische Prüfung

Vorversuche mittels Thermographie:

•Anregung der Elektrodenoberfläche

mittels Blitzlampe oder Laser

•Beobachtung des Abkühlverhaltens mit

einer Wärmebildkamera

•Ausblendung des Hintergrundes

•Verringerung der detektierbaren

Partikelgröße

•Erkennung von internen Fehlstellen

Thermografisches Prüfergebnis (stationär)

Quelle: Ircam GmbH

Typische Auflösung:

640 x 512 Pixel

Totes Pixel?

Detektormatrix

Rauschsignal?

Staubpartikel?

Blitz-lampe

Blitz-

generator

PC (Steuerung

+ Auswertung)

Infrarot-

Kamera

Elektroden-

zuschnitt


Prinzip der Thermografie Vorversuche mittels Thermografie

ca. 1 mm

Bildquelle: edevis GmbH





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Folie 12

0: kein Einfluss 1: schwacher Einfluss 2: mittlerer Einfluss 3: starker Einfluss

Identifikation des Produktionseinflusses (Prozess, Anlage, Umgebung) auf die

Produktqualität

Quellen: TECHEL ET AL. 2011, KETTERER ET AL. 2009

Einflussmatrix

Ein

zelm

erk

mal

e

(met

allis

che)

Ver

un

rein

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nge

n

Ho

mo

gen

ität

der

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Po

rosi

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Form

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Maß

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Iso

lieru

ng

Ben

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ng

Elek

tro

lytd

urc

hd

rin

gun

g /

Fülls

tan

d

Gesamtprodukt

Kapazität der Batterie 3 3 2 3 2 2 2 2 2 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 3 3

Lebensdauer/Zyklenfestigkeit 3 2 0 1 2 3 3 2 1 1 3 1 0 0 1 2 1 0 0 0 2 2 3 3 3 2 1 1 2 2 2

Innenwiderstand 3 2 1 2 2 3 2 2 1 0 1 2 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 3 1 1 0 0 1 1 2 2

Sicherheit 2 0 0 0 0 1 1 2 1 2 3 1 1 1 2 3 0 0 2 2 2 2 2 2 3 3 2 2 3 0 0

Erfassbarkeit Inline-Messung + - + + + -- - + - ++ - - -- - + -- - - ++ ++ - ++ - -- - - -- ++ + - -

Verpackung

Versiegelung

Kontakt-

ierung Befüllung

Beschichten

KalandrierenMischen Separator Konfektionieren Zellbildung

Prozessübergreifende Qualitätssicherung





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Folie 13

Fazit

Umfangreiche Kompetenzen in

der Produktionsforschung

für Lithium-Ionen-Zellen

Partner für F&E-Aufträge zur

Untersuchung neuer Prozesse,

Komponenten und Materialen für

zukünftige Energiespeicherlösungen

Quelle(n): TUM, Heddergott





Raum

Tel +49 89 / 289 -

Fax +49 89 / 289 -

E-Mail:

Adresse

iwb - Technische Universität München

Boltzmannstraße 15

85748 Garching

www.iwb.tum.de

Kontakt

155 55

2308155 07

[email protected]

Dipl.-Ing. Jakob Kurfer

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