Analyse prozessübergreifender Wirkzusammenhänge zur Modellierung der Stapelbildung in der Batteriezellfertigung - Ein Beitrag zur Bewertung geometrischer Effekte in Elektroden auf die Stapelgenauigkeit

Leistungsfähige Batteriezellen sind ein wesentlicher Bestandteil des technologischen Fortschritts und im Hinblick auf die Elektromobilität eine der Schlüsseltechnologien für elektrifizierte Fahrzeuge. Die global stark steigende Nachfrage nach Batteriezellen rückt die Herstellung der Batteriezellen in den Fokus der aktuellen Forschung. Trotz intensiver Forschungsbemühungen ist die komplexe Prozesskette mit den prozessübergreifenden Wirkzusammenhängen jedoch nicht vollständig verstanden, was zu langwierigen Entwicklungs- und Inbetriebnahmephasen der Anlagen und Prozesse führt. ... mehrAls wichtiger Prozessschritt in der Batteriezellfertigung zeigt sich auch die Stapelbildung mit dem essentiellen Qualitätsparameter der resultierenden Stapelgenauigkeit abhängig von vorhergehenden Prozessschritten, wobei quantifizierende Wirkzusammenhänge noch unzureichend untersucht sind.
Ziel der Dissertation ist daher das fehlende Verständnis der Wirkzusammenhänge vorhergehender Prozessschritte auf die Stapelgenauigkeit zu erarbeiten, sowie darauf basierend ein Modell mit den relevanten Parametern bereitzustellen, das die langwierige Anlagen- und Prozessentwicklung unterstützt und optimiert. Der Fokus der Untersuchungen wird dabei auf die Prozessschritte der Kalandrierung, Vereinzelung und Einzelblattstapelbildung gelegt.
Hierzu werden in experimentellen Untersuchungen die bei der Kalandrierung auftretenden Welligkeiten in der Kathodenbahn sowie die daraus resultierenden geometrischen Einflüsse auf die vereinzelten Kathodenblätter quantifiziert. Anschließend werden die Auswirkungen der Kathodenblattgeometrien auf die Einzelblattstapelbildung experimentell untersucht, wobei der Fokus auf der resultierenden Stapelgenauigkeit liegt. Auf Basis der Erkenntnisse werden die relevanten Einflussparameter auf die Stapelgenauigkeit herausgearbeitet und in ein Finite-Elemente-Modell überführt. Für dieses wird eine Methodik zur Modellierung des Materialverhaltens entwickelt und gemeinsam mit dem Modell validiert. Eine mögliche Anwendung des Modells wird abschließend exemplarisch an einem ausgewählten Anwendungsfall gezeigt.

High-performance battery cells are an essential component of technological progress and, in terms of electric mobility, one of the key technologies for electrified vehicles. The rapidly increasing global demand for battery cells turns their production into the spotlight of current research. Despite intensive research efforts, the complex process chain with its multi-process cause-effect relationships is not fully understood. This leads to lengthy development and commissioning phases for the plants and processes. Stacking has also proven to be an important process step in battery cell production. ... mehrIts essential quality parameter stacking accuracy highly depends on previous process steps. However, quantifying cause-effect relationships have not yet been sufficiently investigated.
The aim of the dissertation is therefore to elaborate the missing understanding of the cause-effect relationships between previous process steps and the stacking accuracy. Based on this, a model with the relevant parameters is developed to support and optimise the lengthy development and commissioning phases. The focus of the investigations is on the process steps of calendering, separating and single-sheet stacking.
To achieve this, corrugations in the cathode that occur during calendering and the resulting geometric effects on the separated cathode sheets are quantified in experimental investigations. Subsequently, the effects of the cathode sheet shapes on the stacking accuracy after single-sheet stacking are also investigated experimentally. Based on the results, relevant parameters affecting the stacking accuracy are identified and integrated into a finite element model. A methodology for modelling the material behaviour is developed and validated together with the finite element model. Finally, a possible application of the model is shown using a selected application as an example.