Weniger Ausschuss bei der Herstellung von Batterieelektroden

Innovatives Zusatzverfahren sorgt für weniger Fehler im Prozessschritt des Kalandrierens

Mit einem neuen, innovativen Verfahren soll in Zukunft die Produktion von Batterieelektroden verbessert werden. Dabei geht es darum, die Fehlerquote beim für die Performance wichtigen Schritt des Kalandrierens zu reduzieren. Ziel ist, das Verfahren künftig in Großserienproduktionen einzusetzen. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über drei Jahre mit einer Gesamtsumme von 1,37 Millionen Euro gefördert. Die Forschenden des KIT werden dabei von ihren Projektpartnern VARTA Microbattery GmbH, BREYER GmbH Maschinenfabrik, Speira GmbH sowie der Hochschule Aalen unterstützt.

Die Herstellung von Lithium-Ionen-Batteriezellen umfasst eine Vielzahl komplexer Prozessschritte, die einen großen Einfluss auf die Qualität, Sicherheit sowie die Performance der Zellen haben. Die sogenannte Energiedichte entscheidet bei mobilen Anwendungen über die realisierbare Reichweite und bei stationären Anwendungen über die maximal zur Verfügung stehende Kapazität. Neben der Materialzusammensetzung ist insbesondere der Prozessschritt des Kalandrierens für das Erreichen einer hohen Energiedichte relevant. Die Elektrodenbahnen werden beim Kalandrieren in einem Walzprozess verdichtet. Das Kalandrieren kann man sich wie das Ausdünnen des Nudelteigs in einer Nudelmaschine vorstellen, wie die Forschenden des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) erklären. Nun ist eine Elektrode aber kein homogener und flexibler Teig, sondern eine sehr dünne Metallfolie, auf der eine poröse Beschichtung aufgetragen ist. Die Randbereiche werden oft unbeschichtet gelassen, um später aus diesem Rand die sogenannten Ableitertabs auszuschneiden. Diese werden benötigt, um die Zellen intern zu kontaktieren und diese anschließend an einen externen Stromkreislauf anschließen zu können. Eine Elektrode habe daher verschiedene Bereiche, die sich bei der Verdichtung im Zuge des Kalandrierprozesses unterschiedlich verhalten. Diese Inhomogenitäten können zur Ausbildung von Falten in den unbeschichteten Ableiterbereichen führen. Wer schonmal versucht hat, eine geknickte Alufolie glatt zu streichen, steht vor einem ähnlichen Problem wie wir, wenn die Elektrodenfolie in Folge des Kalandrierens Falten aufweist, erklären die Forschenden des KIT.

Um dem entgegenzuwirken, wurde gemeinsam mit Partnern aus der Wissenschaft und Industrie im Forschungsprojekt PErfektZELL (FKZ: 03XP0179C) bereits ein innovatives Zusatzverfahren entwickelt, das die Unterschiede zwischen dem Randbereich und dem beschichteten Bereich ausgleicht. „Wir konnten in unserem letzten Projekt erfolgreich zeigen, dass unser Verfahren funktioniert. Nun möchten wir dieses Verfahren verbessern, sodass es später auch in der Großserienproduktion zum Einsatz kommen kann. Noch gibt es einige Herausforderungen, aber wir sind zuversichtlich, dass wir bis zum Projektabschluss Anfang 2026 durch diverse experimentelle sowie simulative Untersuchungen den Prozess des Kalandrierens besser verstehen werden und so auch unser Zusatzverfahren optimieren können“, sagt Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer, Leiter des wbk Institut für Produktionstechnik des KIT.

    


Abbildung: Zusatzverfahren für das Kalandrieren von Elektroden (Breyer GmbH Maschinenfabrik)

 


Kurzbeschreibung und Ansprechpartner:


Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer
Institutsleiter wbk Institut für Produktionstechnik
Tel.: +49 721 608-44009
E-Mail: Juergen.Fleischer@kit.edu

Das Institut für Produktionstechnik (wbk) ist mit knapp 100 wissenschaftlichen Mitarbeitern eines der größten Institute des KIT und thematisch in der Fakultät Maschinenbau angesiedelt. Der Fokus des von Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer geleiteten Forschungsbereichs Maschinen, Anlagen und Prozessautomatisierung (MAP) liegt in der Entwicklung und Erforschung selbstlernender Maschinen, ganzheitlicher Automatisierungslösungen sowie intelligenter Handhabungssysteme für innovative Produktionsverfahren in Forschungsschwerpunkten wie der Elektromobilität. Zur Stärkung der Batterieforschung ist das wbk zudem Teil des KIT-Batterietechnikums (BATEC). Dort werden die Kompetenzen des KIT entlang der Wertschöpfungskette integriert, wozu ein umfangreicher Maschinenpark von der Elektrodenfertigung bis zur Batteriezellassemblierung zur Verfügung steht.


BREYER GmbH Maschinenfabrik
Joachim Bormann
Marketing an Sales Manager
Tel: +49 7731 920 119
joachim.bormann@breyer-extr.com

BREYER ist ein stark diversifiziertes Unternehmen, das seit über 70 Jahren kontinuierlichen Fortschritt und internationale Akzeptanz erlebt. Ursprünglich aus der Extrusionstechnik hervorgegangen, die auch weiterhin den Schwerpunkt innerhalb des Unternehmens bildet, entfalten sich aufgrund markt- und zukunftsorientierter Innovationen weitere Geschäftsfelder wie Composites oder Batteriefolien.
Wir sind ein erfolgreiches mittelständisches Familienunternehmen mit über 250 Mitarbeitenden. Der vorteilhafte Standort befindet sich im Süden Deutschlands in der Nähe des Bodensees und der Schweiz
Die Ausbildung von eigenen Fachleuten, der individuelle Service und die nachhaltige Produktion sind in der Unternehmenskultur fest verankert. Die über 250 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter sind in ein solides Vertrauens- und Qualitätsmanagement eingebunden.


Hochschule Aalen
Andreas Kopp
Institut für Materialforschung
Tel.: 07361 576 1621
andreas.kopp@hs-aalen.de

Das Institut für Materialforschung der Hochschule Aalen (IMFAA) beschäftigt sich mit Themen der Erforschung, Herstellung und Charakterisierung von Materialien. In der Materialanalyse stellen bildgebende Verfahren wie 3D-Computertomographie, Röntgen-, Licht- und Rasterelektronenmikroskopie sowie begleitende analytische Verfahren einen Schwerpunkt dar. In Verbindung mit innovativer Bildauswertung aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz können wichtige Erkenntnisse über die Funktion und Herstellung von Materialien gewonnen werden. Im Fokus stehen für die Energiewende wichtige Materialen wie Magnetwerkstoffe für elektrische Maschinen, Li-Ionen-Batterien und Brennstoffzellen für die Energiespeicherung, Leichtbauwerkstoffe und innovative Fertigungsverfahren wie der 3D-Druck.


Speira GmbH
Mauritz Faenger-Montag
Head of External Communications
Tel: +49 2181 66-4918
mauritz.faenger-montag@speira.com

Speira ist ein führendes europäisches Aluminiumwalz- und Recylingunternehmen. An insgesamt elf Recycling- und Walzproduktionsstätten in Deutschland und Norwegen samt eigener Forschung und Entwicklung recycelt Speira pro Jahr bis zu 650.000 Tonnen Aluminium und produziert rund eine Millionen Tonnen Walzprodukte. Zu den Werken zählen das Joint Venture Alunorf, das größte Aluminiumwalzwerk der Welt, und Grevenbroich, das größte Veredelungswerk der Welt. Mit rund 5.500 Beschäftigten ist Speira stolz darauf, einige der bekanntesten Industrieunternehmen in den globalen Branchen Automobil, Verpackung, Druck, Maschinenbau, Bau und Konstruktion zu beliefern.

Über VARTA AG

Die VARTA AG produziert und vermarktet ein umfassendes Batterie-Portfolio von Mikrobatterien, Haushaltsbatterien, Energiespeichersystemen bis zu kundenspezifischen Batterielösungen für eine Vielzahl von Anwendungen, und setzt als Technologieführer in wichtigen Bereichen die Industriestandards. Als Muttergesellschaft der Gruppe ist sie in die Segmente „Micro Batteries“, „Lithium-Ion CoinPower“, „Consumer Batteries“, „Energy Storage Systems“ und „Sonstige“ unterteilt.
Das Segment „Micro Batteries“ umfasst Mikro- und Hörgerätebatterien, „Lithium-Ion CoinPower“ kleinformatige Lithium-Ionen-Rundzellen für OEM-Anwendungen. „Consumer Batteries“ bildet das Geschäft mit Haushaltsbatterien, Akkus, Ladegeräten, Portable Power (Power Banks) und Leuchten ab. Unter „Energy Storage Systems“ fallen Energiespeicher-Lösungen für vorrangig private, aber auch für kommerzielle Anwendungsbereiche. Das Segment „Sonstige“ umfasst die Geschäftsbereiche „Lithium-Ion Battery Packs“ sowie „Lithium-Ion Large Cells“ (hochleistungsfähige Lithium-Ionen-Rundzellen für industrielle Anwendungen im Automotive- und Non-Automotive-Bereich).
Durch intensive Forschung und Entwicklung setzt VARTA in vielen Bereichen der Lithium-Ionen-Technologie und bei Mikrobatterien weltweite Maßstäbe und ist so anerkannter Innovationsführer in den wichtigen Wachstumsmärkten der Lithium-Ionen-Technologie sowie bei primären Hörgerätebatterien. Der VARTA AG Konzern beschäftigt derzeit rund 4.200 Mitarbeiter. Mit fünf Produktions- und Fertigungsstätten in Europa und Asien sowie Vertriebszentren in Asien, Europa und den USA sind die operativen Tochtergesellschaften der VARTA AG derzeit in über 100 Ländern weltweit tätig.