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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
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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
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© iwb 2013 Folie 3
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Forschungsgebiete
Unternehmensplanung
und -organisation
Mechatronische
Produktionssysteme
Fertigungs- und
Montagetechnologie
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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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Batterieproduktion am iwb
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
Batterieproduktion am iwb
JOSSEN & WEYDANZ 2006, LINDEN & REDDY 2010
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Batterieproduktion am iwb
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
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Batterieproduktion am iwb
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)
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• Evakuierung der Zelle
• Reduzierung des Unterdrucks
• Befüllung inkrementell / kontinuierlich / schlagartig
• Druckprofile: Über-/Unterdruck alternierend
Batterieproduktion am iwb
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
Batterieproduktion am iwb
Prinzip der Thermografie Vorversuche mittels Thermografie
ca. 1 mm
Bildquelle: edevis GmbH
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Batterieproduktion am iwb
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
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etzu
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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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Prof. Dr.-Ing. G. Reinhart
© iwb 2013
Batterieproduktion am iwb
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
Institut für Werkzeugmaschinen
und Betriebswissenschaften
Prof. Dr.-Ing. M. Zäh
Prof. Dr.-Ing. G. Reinhart
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
Jakob.Kurfer@iwb.tum.de
Dipl.-Ing. Jakob Kurfer