InnoCase - Innovative Gehäusekonzepte für großformatige Lithium-Ionen-Batterien

 

Im Fokus des Projekts InnoCase steht die Erforschung und Entwicklung neuartiger Gehäusekonzepte für großformatige Lithium-Ionen-Zellen (LIZ), welche die Vorteile verschiedener herkömmlicher Gehäusetypen vereinen. Durch innovative Ansätze sollen das Totvolumen sowie die Masse prismatischer Hardcase-Gehäuse reduziert werden, um eine Steigerung der Energiedichte zu erreichen. Zugleich werden Änderungen in den Herstellungsverfahren und –abläufen der Gehäuse zur Optimierung der Zellmontage untersucht. Hierdurch sind Einsparungen in den Produktionskosten der LIZ zu erwarten.

Lithium-Ionen-Zellen (LIZ) werden als elektrochemische Energiespeicher in vielfältigen Anwendungen eingesetzt. Die zellinternen Komponenten (Elektroden, Separatoren und Elektrolyt) sind von einem Gehäuse umgeben, an das verschiedene Anforderungen gestellt werden. Es soll sowohl das Zellinnere von äußeren Einflüssen (Feuchtigkeit, Verschmutzungen, etc.) schützen, als auch den Austritt der zellinternen, zum Teil giftigen und brennbaren Stoffe verhindern. Zudem muss das Zellgehäuse die Kühlfunktion übernehmen, Anforderungen bzgl. der Integration in das Modul erfüllen und möglichst kostengünstig und aufwandsarm fertigbar sein.

Die Steigerung der spezifischen Energiedichte einer LIZ hängt maßgeblich von der Verbesserung des Verhältnisses zwischen aktiven und inaktiven Komponenten ab. Daher wird zunächst ein Gehäusekonzept entwickelt, welches nicht nur hinsichtlich der Masse und Volumenausnutzung optimiert wird, sondern auch elektrische und thermische Eigenschaften berücksichtigt. Da großformatige LIZ jedoch erhöhte Anforderungen an das Zelldesign stellen (Temperaturverteilung, Stromleitung über große Elektrodenflächen, Sicherheitseigenschaften, Energiedichte), ist die numerisch gestützte Zellauslegung ein weiterer Projektschwerpunkt. Durch die Anwendung von Design for Manufacturing and Assembly (DfMA) Methoden kann eine montagegerechte Gestaltung innovativer Gehäuse erfolgen. Zugleich muss bei der Auslegung eines neuen Gehäuses die einfache Integration in ein Modul gegeben sein. Des Weiteren werden produktionstechnische Aspekte durch die Anpassung und Vereinfachung von Prozessen in der Zellmontage adressiert. Der Einsatz neuer Fertigungstechnologien, wie z. B. dem Laserschweißen zum Fügen dünner Ableiterfolien auf Stackebene, soll signifikante Vorteile hinsichtlich des Produktionsaufwands sowie der Kosten aufzeigen.

Diese Herausforderungen werden im Projekt InnoCase in einem Konsortium aus Industrie und Forschung adressiert, das Partner entlang der gesamten Wertschöpfungskette von LIZ-Gehäusen beinhaltet. Das Konsortium besteht aus drei deutschen Forschungseinrichtungen (Technische Universität München: Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb), Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik (EES); RWTH Aachen: Chair of Production Engineering of E-Mobility Components (PEM)) sowie vier deutschen Unternehmen (ElringKlinger AG, TRUMPF Gruppe, MANZ AG, Futavis GmbH).

Danksagung

Der Dank des iwb gilt dem Bundesministeriums für Bildung und Forschung und dem Projektträger Jülich für die Förderung dieses Forschungsprojektes (Förderkennzeichen: 03XP0207F).