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Lithium-Ionen Batteriezellproduktion
Fertigen und Prüfen
27. testXpo
Zwick GmbH & Co. KG
Prof. Dr. Werner Schreiber
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Speicherung elektrischer Energie
• Wiederaufladbare Batteriezellen
• Grundlage für Speicherung elektrischer Energie
• Unterschiedliche chemische Systeme
• Pb
• Ni-Cd
• NiMH
• Li-Ionen
• Unterschiedliche Zellbauformen
• Unterschiedliche Zellverpackungen
• Unterschiedliche Zellgrößen
05.09.2018Schreiber|BZ Produktion 180724.pptx 1
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Lithium-Ionen-BatteriezellenZellbauformen und Zellverpackungen
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Wickel Stapel
Zellbauform
Zellverpackung
Hartgehäuse Verbundfoliengehäuse
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Herstellprozess
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Pastendosieren, mischen
Elektroden beschichten
Elektroden kalandrieren
Elektroden schneiden
Elektroden wickeln
Wickel kontaktieren
Wickel ausheizenZellen
verschließenElektrolyt einfüllen
Zellen tempern Zellen formieren
Wickel assemblieren
Befüllöffnungschließen
Zellen lagern Zellen prüfen
Materialien Lagern
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Herstellprozess
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Pastendosieren, mischen
Elektroden beschichten
Elektroden kalandrieren
Elektroden schneiden
Elektroden wickeln
Wickel kontaktieren
Wickel ausheizenZellen
verschließenElektrolyt einfüllen
Zellen tempern Zellen formieren
Wickel assemblieren
Befüllöffnungschließen
Zellen lagern Zellen prüfen
Materialien Lagern
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Elektroden beschichten
• Aufbringen der pastenförmigen
Aktivmaterialien auf die elektrisch
leitende Trägerfolie
• Dicke der Elektroden 6 µm bis 20 µm
• Beschichtungsbreite bis zu 900 mm
• Beschichtungsgeschwindigkeit bis zu
80 m/min
• Beschichtungsdicke 50 µm bis 150 µm
pro Seite
• Einstellen des konstanten
Flächengewichts
• Trocknen der aufgebrachten Pasten
• Entfernen des Lösungsmittels im
Trockner
• Rolle zu Rolle Prozess
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KathodeAnode
Kupferfolie
Aluminiumfolie
Beschichtung
auf Vorder-
und Rückseite
Elektroden
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Elektroden beschichtenkleine Beschichtungsanlage
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Sensor
DeckungsabgleichAbwickler Aufwickler
Schlitzdüse
Kleiner
Vorlage-
behälter
Trocken-
kammer 1
(z. B. 110˚C)
Trocken-
kammer 2
(z. B. 110 ˚C)
Trocken-
kammer 3
(z. B. 110 ˚C)
Trocken-
kammer 4
(z. B. 125 ˚C)
Trocken-
kammer 5
(z. B. 130 ˚C)
Nassschicht-
dickenmessung
BedienpultFlächen-
gewicht-
messung
Einseitige Beschichtung
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Elektroden beschichtenkontinuierlich / intermittierend
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Schlitzdüse
Elektrodenfolie
Beschichtung 1. Seite
• Bei kontinuierlicher Beschichtung gibt es keine Unterbrechung des Pastenauftrags
• Bei intermittierender Beschichtung ist der Pastenauftrag unterbrochen
Beschichtung 2. Seite
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Elektroden beschichtenFunktionsweise Schlitzdüse
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Schlitzdüse
Gegenwalze
PastenkanalEntspannungskammer
Metallfolie
Aktivmasse
Pastenzulauf
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Elektroden beschichtenGütekriterien
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Anode
Kupferfolie
Flächengewicht = Gewicht der Aktivmasse bezogen auf eine definierte Fläche
Laufrichtung
StartkantenüberhöhungAuslaufende Stoppkante
Laufrichtung
Abfallende Seitenkante Wulst
x
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Zelleigenschaften
Dreieck der AbhängigkeitenAbhängigkeiten in der Batteriezelle
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Zellmaterialien
Produktionsanlagen Produktionsprozess
• Sicherheit
• Leistung
• Energie
• Kosten
• Lebensdauer
Die Faktoren Zellmaterial,
Produktionsanlagen und
Prozess…
• …bedingen sich
gegenseitig.
• …beeinflussen sich
gegenseitig.
• …bestimmen die
Eigenschaften der Zelle.
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Test von Lithium-Ionen Batteriezellen
A-Muster (Funktionsmuster), B-Muster (Prototyp)
Zyklentest bei
• unterschiedlichen Temperaturen
• unterschiedlichen Lade- und Entladeströmen, auch Profile (z.B. Fahrprofil, Kaltstarttest)
• unterschiedlichen Ladezuständen
Lagertests bei unterschiedlichen Temperaturen
Sicherheitstests
Tests zur Ermittlung des Verhaltens der Batteriezellen bei Missbrauch oder Unfällen
• Nageltest
• Überladetest
• Kurzschlusstest
• Temperaturstabilitätstest
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Lebensdauer, Zyklenfestigkeit
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0
20
40
60
80
100
120
0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000
Restk
ap
azit
ät
[%]
Ladezyklen
1865023°C; C/3 // C/3; 2,5 - 4,2V
PHEV245°C; 1C//1C; 2,5 - 4,1V
18 650
PHEV2
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SicherheitstestsA-Muster
Tests zur Ermittlung des Verhaltens der Batteriezellen bei Missbrauch oder Unfällen
• Nageltest
• Überladetest
• Kurzschlusstest
• Temperaturstabilitätstest
• Vibrationstest
• Ergebnis
besser als Hazard Level 4
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EUCAR Hazard Levels und Beschreibung
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Hazard
Level
Beschreibung Einstufungskriterien und Effekte
0 Kein Effekt Kein Effekt; keine Beeinträchtigung der Funktionalität; keine Veränderung des
äußeren Erscheinungsbildes
1 Passive
Sicherheitsvorrichtungen
lösen aus
Keine Beschädigung; kein Leck; kein Gasaustritt; kein Brand oder keine Flamme;
kein Bersten; keine Explosion; keine exotherme Reaktion oder „Thermal
Runaway“: Zellbeschädigung reversibel; Reparatur der Sicherheitseinrichtung
erforderlich.
2 Defekt / Beschädigung Kein Leck; kein Gasaustritt; kein Brand oder keine Flamme; kein Bersten, keine
Explosion; keine exotherme Reaktion oder „Thermal Runaway“; Zelle irreversibel
beschädigt
3 Leckage, Masseverlust
< 50% des Elektrolytgewichts
Kein Gasaustritt, kein Brand oder keine Flamme, kein Rauchaustritt, Öffnung der
Zelle; keine Explosion; Gewichtsverlust < 50% des Elektrolytgewichts (Elektrolyt
= Lösungsmittel + Salz)
4 Gasaustritt, Masseverlust ≥
50% des Elektrolytgewichts
Gas- oder Rauchaustritt (Partikel der aktiven Masse); kein Brand oder keine
Flamme; Öffnung der Zelle; keine Explosion; Gewichtsverlust ≥ 50% des
Elektrolytgewichts (Elektrolyt = Lösungsmittel + Salz)
5 Flamme/n oder Brand Kein Bersten; keine Explosion (d.h. keine wegfliegenden Teile)
6 Bersten Keine Explosion; unkontrollierte Öffnung der Zelle; Austrag von Teilen der aktiven
Masse
7 Explosion Explosion (d.h. schlagartige Zerlegung der Zelle bzw. des Moduls)
From: SAND2005-3123; D. H. Doughty and C. C. Crafts; FreedomCAR Electrical Energy Storage System Abuse Test Manual for Electric and Hybrid Electric Vehicle Applications; Sandia National
Laboratories; Albuquerque, New Mexico (2006).
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Lithium-Ionen Batteriezellproduktion
Lithium-Ionen Batteriezellen
• sind hoch komplexe mechanische, chemische
Systeme
• können heftig reagieren
• erfordern bei der Produktion höchste Präzision,
Sauberkeit
• erfordern bei der Produktion eine Vielzahl von
Messgrößen zur Sicherstellung der Qualität
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Ich danke Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit