Ausgangssituation

Neben großen Mengen Kohlendioxids, das hauptverantwortlich ist für die menschengemachte Klimaerwärmung, emittieren Kraftfahrzeuge weitere Schadstoffe wie Stickstoffoxide oder Feinstaub. Insbesondere in den Ballungsräumen mit hoher Verkehrsdichte führt dies zur Smog-Bildung und zu erhöhter Feinstaubbelastung. Auch die Einrichtung von Umweltzonen in zahlreichen deutschen Innenstädten löst dieses Problem nicht. Darüber hinaus leistet die hohe Geräuschemission von Verbrennungsmotoren einen wesentlichen Beitrag zur Lärmbelästigung an Verkehrsknotenpunkten.

Durch den Einsatz elektrischer Antriebe in Kraftfahrzeugen können die großen Nachteile der individuellen Mobilität jedoch überwunden werden. Die elektrische Energie, die für den Betrieb der Elektromotoren benötigt wird, kann aus unterschiedlichen Energieträgern gewonnen werden. Aus ökologischer Sicht bieten sich besonders regenerative Energiequellen dafür an. Die leisen und am Betriebsort emissionsfreien Elektrofahrzeuge belasten ihre Umgebung deutlich weniger mit Abgasen und Lärm. Außerdem reduziert sich die Abhängigkeit der deutschen Volkswirtschaft von Rohölimporten. Besonders vor dem Hintergrund zuneige gehender Erdölreserven ist dies von enormer Bedeutung. Der Ölpreis wird langfristig erheblich ansteigen. Kurz- und mittelfristig ist er großen Schwankungen unterworfen, da das Öl vor allem in politisch instabilen Regionen wie dem Irak oder dem Iran gefördert wird und immer größere Risiken eingegangen werden, um die versiegenden Quel-len auszuschöpfen. Die Ölkatastrophe im Golf von Mexiko ist dafür ein eindrucksvolles Beispiel.

Damit sich die Elektromobilität in der Gesellschaft etablieren kann, werden leistungsfähige und zugleich für jedermann erschwingliche Energiespeicher benötigt. Diese müssen zum einen genügend Energie bereitstellen können, um alltägliche Fahrtstrecken zurückzulegen. Dabei sollen sie möglichst wenig Raum beanspruchen und die Fahrzeugmasse nur geringfügig erhöhen. Zum anderen müssen sie elektrische Leistung in ausreichender Höhe abgeben und aufnehmen können, um das Fahrzeug zu beschleunigen oder die Energie beim Bremsen wieder zu rekuperieren. Den hohen Belastungen müssen die Zellen über 3000 bis 5000 Ladezyklen und über einen Zeitraum von 10 bis 15 Jahren standhalten. Lithium-Ionen-Zellen sind derzeit die aussichtsreichste Technologie, um diese Anforderungen erfüllen zu können. Sie haben sich in den vergangenen Jahrzehnten in beinahe allen Elektrogeräten durchgesetzt. Allerdings liegen die Kosten für eine Kapazität von einer Kilowattstunde bei über 1000 Euro. Dabei reicht diese Energiemenge gerade einmal für eine Strecke von zehn Kilometern.

Um die Kosten für Lithium-Ionen-Zellen von hoher Qualität zu senken, sind vor allem Fortschritte in der Produktionstechnik erforderlich. Insbesondere in Deutschland gibt es keine Massenfertigung solcher Zellen. Das Verbundprojekt "Produkti-onstechnische Demonstrationsfabrik für Lithium-Ionen-Zellen" (DeLIZ) soll dies ändern. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes werden die notwendigen Fertigungskonzepte erarbeitet und die Bearbeitungs- und Handhabungsprozesse erforscht, die eine wirtschaftliche Massenproduktion in Deutschland ermöglichen.

Vorhaben

Die Forschungsarbeiten der am Projekt DeLIZ beteiligten Institute befassen sich nahezu mit der gesamten Prozesskette zur Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen (Abb. 1). Schwerpunkte dabei sind die Beschichtung der Elektroden im Rolle-zu-Rolle-Verfahren, das Konfektionieren der Blätter durch Laserstrahlschneiden, die automatisierte Zellstapelung und -fixierung, das Fügen der Folienpakete und Ableiter durch Laserstrahlschweißen sowie die Sicherung der Produktqualität über die gesamte Prozesskette.

                                         Deliz
                                         Abb. 1: Prozesskette bei der
                                    Fertigung von Lithium-Ionen-Zellen

Der Fokus der Arbeiten am iwb liegt auf der Entwicklung von Konzepten, Technologien und der Systemtechnik für die automatisierte Fertigung von Lithium-Ionen-Zellen ausgehend von der Rollenware bis zum fixierten Zellstapel. Deshalb wird in einem ganzheitlichen Ansatz eine modulare Montagelinie geplant und aufgebaut. Dabei sind zwei Aspekte entscheidend. Zum einen wird ein integriertes Materialflusskonzept für alle Prozessmodule angestrebt. Zum anderen wird die Abbildung realer Produktionsbedingungen, gekennzeichnet durch eine sehr trockene Atmosphäre, über den Einsatz geeigneter Klimasysteme forciert. Somit können die Prozesse und die Systemtechnik auf die bei veränderten Umgebungsbedingungen gänzlich anderen Eigenschaften der verwendeten Materialien angepasst werden.

Durch die erstmalige Untersuchung einzelner Prozessparameter auf die Qualität der Zellen und die Einrichtung eines qualitätssichernden Regelkreises für die modulare Montagelinie kann zudem der Ressourcenverbrauch bei der Produktion von Lithium-Ionen-Zellen gesenkt werden.

Vorgehen

Zu Beginn des Projekts wird ein ganzheitliches Anlagenkonzept entworfen, dass einen Rahmen für die einzelnen Prozessmodule vorgibt. Im Anschluss werden die Fertigungsprozesse zuerst einzeln und zeitgleich untersucht. Aufbauend auf dem gewonnenen Prozessverständnis und dem Konzept für eine Gesamtanlage werden dann entsprechende Automatisierungssysteme entwickelt, in die Gesamtanlage integriert und untereinander verkettet.
Zur Erarbeitung eines Konzepts zur prozessübergreifenden Qualitätssicherung arbeitet das iwb eng mit der Fraunhofer Projektgruppe für ressourceneffiziente, mechatronische Verarbeitungsmaschinen zusammen (RMV). Weitere Projektpartner sind das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) und die Technische Universität Dresden, die sich mit den Prozessen der Folien-beschichtung und des Ableiterfügens befassen. Außerdem werden diese Projektpartner Voruntersuchungen zu Lasertrennverfahren für Elektroden und Separatoren durchführen. Ergänzt wird das Projekt durch einen industriellen Be-gleitkreis von Unternehmen aus den Bereichen Zellfertigung, Automobilherstellung und Automatisierungstechnik.

Zielhorizont

Die im Rahmen des Projektes entstehenden Methoden und Demonstratoren für das Beschichten, Trennen, Handhaben, Stapeln, Fixieren und Fügen von Folien sowie die Prozessüberwachung stellen allgemeingültige Lösungen für eine Vielzahl von Applikationen dar. Damit ist eine breite Verwendung der Erkenntnisse gesichert.
Im Erfolgsfalle wird sich an das Projekt die Phase der Überführung von Ergebnissen in die industrielle Praxis anschließen. Außerdem werden Impulse für fortführende FuE-Arbeiten in den Forschungseinrichtungen erwartet. Bereits heute sind verschiedene nachfolgende wissenschaftliche Projekte absehbar. Darüber hinaus fließen die wissenschaftlichen Erkenntnisse in die Ausbildung von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren ein.

Tobias Zeilinger
Johannes Mösl
Jakob Kurfer

Projektpartner des iwb:
Fraunhofer IWS TU Dresden

Betreut durch:

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