Untersuchung des Laminationsprozesses zur Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien

Gegenwärtig lässt sich eine hohe und stetig wachsende Nachfrage an qualitativ hochwertigen Batteriezellen beobachten, da die Elektrifizierung immer weiter voranschreitet. Gerade der Automobilbereich, aber auch weitere gesellschaftlich relevante Sektoren, setzen verstärkt auf elektrische Energie, für die entsprechende Speicher bereitgestellt werden müssen. Entsprechend groß fällt das Interesse an der Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie selbst und auch ihres Herstellungsprozesses aus. Bei letzterem steht die Entwicklung hochdurchsatzfähiger Prozesse im Vordergrund aktueller Forschungsbemühungen.

Einen vielversprechenden Ansatz, eine hochdurchsatzfähige Prozesskette zu schaffen, stellt die Implementierung eines Laminationsprozesses dar, der die Herstellung von stoffschlüssig verbundenen Elektrode-Separator-Laminaten ermöglicht. Dieses neue Zwischenprodukt mit seinen vorteilhaften mechanischen Eigenschaften ermöglicht den Einsatz neuartiger Stapelkonzepte, die den bislang eingesetzten Verfahren hinsichtlich Durchsatz überlegen sind. Weder der Laminationsprozess an sich, noch das Elektrode-Separator-Laminat als sein Produkt sind bislang umfassend erforscht. Das Ziel der vorliegenden Dissertationsschrift besteht darin, Forschungslücken zu diesem Themenfeld zu schließen, indem ein grundlegendes Verständnis über die Wirkbeziehung zwischen den Prozessparametern des Laminationsprozesses und den Produkteigenschaften des entstehenden Laminats aufgebaut wird.

Hierzu werden sowohl mechanische als auch elektrochemische Eigenschaften des Laminats und daraus gefertigter Batteriezellen untersucht. Es wird gezeigt, dass über die kombinatorische Wahl relevanter Prozessparameter unmittelbar Einfluss auf die Haftung zwischen Elektrode und Separator im Laminat als zentrale mechanische Eigenschaft genommen werden kann und sich Prozessparameterpaarungen auch auf die elektrochemischen Eigenschaften auswirken. Aus diesen Ergebnissen wird schließlich ein Prozessfenster abgeleitet, in dem mechanisch stabile und elektrochemisch performante Laminate reproduzierbarer Qualität erzeugt werden können.

Die Reproduzierbarkeit qualitativ hochwertiger Laminate kann als eine Bedingung betrachtet werden, Lamination auch in der industriellen Batteriezellproduktion einzusetzen. Hierfür ist es – insbesondere in Anbetracht der Neuartigkeit und damit potenzieller Fehleranfälligkeit des Prozesses – notwendig, den Laminationsprozess zu überwachen und die entstehenden Laminate zu kontrollieren. Im Rahmen dieser Arbeit werden inline-fähige Messverfahren entwickelt, vorgestellt und evaluiert, die die Prozessüberwachung sowie Produktkontrolle im laufenden Fertigungsbetrieb ermöglichen.

Letztendlich erscheint die Implementierung des Laminationsprozesses in die etablierte Prozesskette zur Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien nur dann schlüssig, wenn sie sich auch aus ökonomischer Perspektive lohnt. Daher wird die Untersuchung der technischen Machbarkeit und inline-fähigen Überwachung ergänzt um die Bewertung der Wirtschaftlichkeit einer Integration der Lamination in die Großserienfertigung von Lithium-Ionen-Batterien. Hierbei werden im Rahmen verschiedener Szenarien Voraussetzungen ermittelt, unter denen sich der Einsatz von Lamination wirtschaftlich rentiert. Sind alle drei Anforderungen – technische Umsetzbarkeit von Lamination, Qualitätskontrolle und Wirtschaftlichkeit – erfüllt, ist der Weg geebnet für die Erweiterung der etablierten Prozesskette zur Batteriezellfertigung um den Prozessschritt der Lamination.