Entwicklung eines Verfahrensablaufes zur Herstellung von Batteriezellstapeln mit großformatigem, rechteckigem Stapelformat und kontinuierlichen Materialbahnen

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs in der Automobilindustrie und die Realisierung der Energiewende erfordern leistungsfähige Energiespeicher. Hierfür weisen elektrochemische Energiespeicher, insbesondere Li-Ionen Batterien, großes Potential auf. Eine zentrale Herausforderung bei der Herstellung von großformatigen Li-Ionen Batteriezellen ist die Stapelbildung, die wechselnde Anordnung von Anode, Separator und Kathode. Die Stapelbildung hat maßgeblichen Einfluss auf die realisierbaren Stapeldesigns und damit auf die Eigenschaften einer Batteriezelle. Ein Batteriezellstapel, welcher mit gestapelten Einzelblättern aufgebaut ist, weist die besten Eigenschaften derzeitiger großformatiger Batteriezellen auf. ... mehrNachteilig ist bei diesem Stapeldesign jedoch, dass die kontinuierlichen Ausgangsmaterialbahnen zu Einzelblättern konfektioniert werden müssen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Stapeldesign konzipiert, welches die positiven Eigenschaften einer einzelblattgestapelten Zelle aufweist und gleichzeitig aus kontinuierlichen Materialbahnen besteht, sodass eine maximale Elektrodenflächenausnutzung der Materialbahnen erzielt werden kann und keine Konfektionierung der Elektrodenflächen erforderlich ist. Kern dieser Arbeit ist die Erarbeitung eines Verfahrensablaufes für die Herstellung des Stapeldesigns.
Zunächst werden die wesentlichen Anforderungen an Stapeldesign und Stapelbildung abgeleitet. Basierend auf dieser Analyse erfolgt die Konzeptionierung eines neuen Stapeldesigns. Anschließend wird ein geeigneter Produktionsablauf zur Herstellung des konzipierten Stapeldesigns entwickelt. Von zentraler Bedeutung ist hierbei die Materialbahnformung um 180°. Für diese werden die erforderlichen Materialbahnverläufe definiert und notwendige Werkzeugkomponenten abgeleitet.

From the increasing electrification of the drive train in the automotive industry and the ongoing developments in energy transition arises the need for efficient and powerful en-ergy storage systems. Electrochemical energy storage systems such as lithium-ion batteries offer a promising solution to achieving those requirements.
One major challenge for the production of large-sized Li-ion batteries is the assembly of the stack, i.e. the alternating arrangement of anode, separator and cathode. The choice of method for the stack assembly has a major impact on the viable stack designs and hence on the properties of the battery cell. ... mehrFor current large-sized battery cells, a bat-tery cell stack with single sheet stacking has the best characteristics. However, this method of stack assembly also has several disadvantages, e.g. that it leads to the for-mation of cut particles and stamped grid scraps.
Therefore, the aim of this work is to develop a stack design that combines the positive characteristics of single sheet stacking cells with the advantages of a continuous mate-rial web. The quintessential part is the conceptional design of an assembly method for the production of a defined stack design.
First, the stack design is devised, based on several target criterions. Subsequently fol-lows a qualitative analysis of the interrelationships of the stack design in order to define a suitable production process for the devised stack design. Due to the fact that currently no suitable procedure exists for the step of shaping the material web, a new procedure is devised. Finally, the new procedure is implemented, and a prototype is constructed. Thus, a new and more efficient procedure for assembling cell stacks for Li-ion batteries has been developed.