SONDERAUSGABE "Fit for E-Volution" - konstruktion.de

TECHNOLOGIEInterviewmit Prof.Dr.-Ing.Gunther Reinhart, iwb Technische UniversitätMünchen„Der Elektrolytist das Blut der Zelle“AUTOMOBIL PRODUKTION: Wie wichtigist bei der Herstellung vonLithium-Ionen-Zellen der Prozess der Befüllung mit Flüssig-Elektrolyt?Lebenswichtig,denn der Elektrolytist quasidas Blut der Zelle.Vor der Befüllung wirdder Zellstapel derart dicht indas Gehäuseder Zelle gepackt, dass kaum noch Platzzwischen den Elektroden ist. Anschließendwird die Elektrolytflüssigkeit in dasGehäuse dosiert. Diese besteht aus einerMischung verschiedener Lösungsmittelmit Leitsalzen. Ohne Elektrolyt kann dieBatterie nicht funktionieren, daüber dieFlüssigkeit die Lithium-Ionen zwischenden Elektroden wandern.Die Befüllung istdeshalb entscheidend für die Qualität derZelle und produktionstechnisch sehr anspruchsvoll.AUTOMOBIL PRODUKTION: Woraufkommtesdabei an?Nach der Befüllung müssen alle Schichtender Zelle, also Separatoren und Elektroden,vollständig mit dem Elektrolyt benetztsein. Esdürfen weder Gaseinschlüssezwischen den Lagen der Zelle verbleibennoch später durch Schaumbildungentstehen. Flüssigkeitsüberschuss istebenfalls unzulässig, dasich sonst ungebundeneLeitsalze in der Zelle ablagernkönnten. Bei sehr genauer Dosierungmuss die Befüllung schnell ablaufen, dasie oftmals der taktzeitbestimmende Prozessist.Außerdem muss unbedingt sichergestellt werden,dass die Elektrolytflüssigkeitnicht mit Wasser in Kontakt kommt.Bereits die normale Luftfeuchtigkeit lässtunerwünschte Nebenreaktionen auftreten,dieMensch und Produkt gefährden.AUTOMOBIL PRODUKTION: Wird die Bedeutungdieses Themas von den Batterieherstellernunterschätzt?Ich würde sogar sagen,dass dieses Themasowohl von den Herstellern als auch vonden Forschungseinrichtungen unterschätztwird. Es gibt nur sehr wenig Literaturhierüber und das Prozessverständniserscheint wenig ausgeprägt. Mit demTrend zu großformatigen Batteriezellengewinnt dieser Prozess wegen größererBefüllwege noch weiter an Bedeutung.Der Prozess ist weniger vergleichbar mitder Füllung eines Wassereimers als mitdem Dekantieren eines guten Rotweines.AUTOMOBILPRODUKTION: Wasist zu tun,um die richtige Befüllung technisch zugewährleisten?Wir müssen uns intensiv mit Benetzbarkeitder Zellmaterialien, mit der Viskositätdes Elektrolyts und mit den Druck- undDurchflussverhältnissen in der unversiegeltenZelle beschäftigen. Die Befüllungmuss in einer absolut trockenen Umgebungstattfinden. Darin wird eine Vakuumkammerinstalliert, um den Füllvorgangzu beschleunigen. Nach der Dosierungder Flüssigkeit wird die Zelle wechselweiseÜber-und Unterdruck ausgesetztund anschließend versiegelt.All dies dientder schnellen und blasenfreien Aufnahmevon Flüssigkeit. Inunserem fünfköpfigenForscherteam zur Batterieproduktion arbeitetHerr Thomas Knoche konzentriertdaran, diese Prozesse und Effekte wissenschaftlichzu durchdringen.AUTOMOBIL PRODUKTION: Wie kann derZellhersteller von einem optimierten Befüllungsprozessprofitieren?Der Hersteller profitiert erstens von einerhöheren Prozesssicherheit und somit voneiner konstanteren Qualität der Produkte.Da die Elektrolytbefüllung einer der letztenSchritte der Zellmontage ist, wirktAusschuss besonders kostentreibend.Professor Gunther Reinhart: „Ausschuss inder Zellmontagewirkt besonders kostentreibend.“Zweitens erreicht man durch einen optimiertenBefüllungsprozess eine kürzereTaktzeit.AUTOMOBIL PRODUKTION: Wie kann dieElektrolytbefüllung Parameter wie denWirkungsgrad, die Lebensdauer und denAkkupreis beeinflussen?Neben den Kosten beeinflusst der Befüllprozessauch die Qualität imSinne vonZyklenlebensdauer und Energiedichte.Dashängt davon ab, ob alle Zelllagen ausnahmslosvon der Elektrolytflüssigkeit benetztwurden. Obauch bei vollständigerBenetzung Leistungsparameter durch denBefüllprozess beeinflusst werden,ist aktuellunklar. Ein Beispiel: Bei Solarzellen istbekannt, dass sich in der Nähe der EinfüllöffnungAdditive ansammeln, die dann inentfernten Bereichen fehlen und so dieLeistungsfähigkeit vermindern. Durch einenangepassten Befüllvorgang kann diesvermieden werden. Obbei Lithium-Ionen-Zellen ähnliche Effekte vorliegen, ist nichtbekannt und somit eine der spannendenForschungsfragen.Das Interviewführte Christian KleinBild: iwb/TUMKombination aus Anoden- und Kathodenmaterialkonnten wir die Aufladezyklenvon etwa 200 auf 1400 erhöhen,“ soAlthues. Die Energiedichte der Lithium-Schwefel-Batterien soll langfristig beibis zu 600Wh/kg liegen –gegenüber nur250 Wh/kg bei Li-Ion-Akkus.Ein ähnliches Ergebnis haben Chemikerder Technischen Universität Chemnitzmit dem Einsatz winziger Kohlenstoffhohlkügelchenerzielt, die sie mitSchwefel zu einem neuen Kathodenmalungen,diesen Prozess mittels poröserKohlenstoffe zu entschleunigen. „DerSchwefel kann sich in diesen Kohlenstoffeneinlagern und langsamer mit demElektrolyt verbinden“, erklärt Dr. HolferAlthues, Leiter der Abteilung „ChemischeOberflächentechnologie“. Die Anodedes IWS-Akkuprototypen wurde ebenfallsoptimiert und besteht aus einer Silizium-Kohlenstoff-Verbindung,die sichbeim Ladevorgang wesentlich stabilerverhält als Lithium-Metall. „Durch dieseterial verschmolzen haben. SystematischeUntersuchungen der Kugeleigenschaftenergaben, dass ein hoher Kohlenstoffanteildie Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials(und damit dieAkku-Kapazität) steigerten und dieGröße der Kugeln die Lebensdauer derBatterie beeinflusst: Nach 500 Ladezyklenzeigten die von IndustriepartnerBASF getesteten Lithium-Schwefel-Akkusnoch rund 70 Prozent Restleistung.Theo Gerstl ■AUTOMOBILPRODUKTION · Oktober 201325