Kontinuierliche Z-Faltung steigert Batteriezellenproduktion um 150 Prozent

Lithium-Ionen-Akkus sind teuer in der Herstellung – doch jetzt hat die TU Berlin ein effizienteres Verfahren entwickelt, das eine Durchsatzsteigerung um 150 Prozent ermöglichen soll.

Auch wenn Elektromobilität immer mehr auf dem Vormarsch ist, sind E-Autos noch immer sehr teuer. Ein hoher Kostenfaktor ist die Batterie bzw. im Speziellen die Batteriezellen. Das liegt an der derzeit noch sehr ineffizienten Produktion. Die TU Berlin hat ein neues Produktionsverfahren für Lithium-Ionen-Batteriezellen entwickelt, die Zeit und Kosten verringern soll: die kontinuierliche Z-Faltung.

Wie Batterien bisher hergestellt werden

Batteriezellen für E-Autos bestehen aus Elektroden-Separator-Verbünden, also dünnen metallischen Elektrodenfolien und extrem dünnen dazwischenliegenden Separatorfolien aus Kunststoff. Sie werden in Form einer Z-Struktur in der Batterie angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht eine sehr hohe Energiedichte im Vergleich zu anderen Verbundbauweisen, sodass E-Autos möglichst viel Energie aus einer Batterieladung ziehen und dementsprechend weit gefahren werden können, bis die Batterie wieder geladen werden muss.

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Bisherige Verfahren der Herstellung dieser Batterien beinhalten „Pick-and-Place“-Bewegungen. Dabei setzen Roboter die Elektroden- und Separatorfolien durch Aufgreifen und Positionieren Stück für Stück aufeinander. In der Natur dieses Vorgangs liegen zeitraubende Bewegungen und Stillstände, wenn die Robotersysteme vor- und zurückfahren. Die benötigte Zeit führt zu einer Durchsatzlimitierung und so zu einem kostentreibenden Prozessschritt in der Batteriezellenproduktion.

Stillstandzeiten im Ablauf vermeiden

Das neue Verfahren des Fachgebietes Montage- und Handhabungstechnik der TU Berlin vermeidet durch eine kontinuierliche Materialbewegung Stillstandzeiten im Verfahrensablauf. Dadurch soll eine Durchsatzsteigerung im Vergleich zum internationalen Stand der Technik um rund 150 Prozent erreicht werden. Das bedeutet, dass in der Zeit, in der heute 100 Batterien produziert werden, in Zukunft mit dem neuen Verfahren 250 Batterien hergestellt werden könnten. Der Einsatz von Transportsystemen mit linear umlaufenden Greifern erlaubt eine kontinuierliche Faltenerzeugung. Die Elektroden liegen dabei als zugeschnittene Folien und die Separatorfolie als Bandmaterial vor.

Das Forschungsprojekt mit dem patentierten Verfahren befindet sich momentan in einer Demonstrationsphase. Im vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekt Kontibat wird aktuell ein Demonstrator entwickelt, der das Funktionsprinzip der kontinuierlichen Z-Faltung belegt. Mit der anvisierten Durchsatzsteigerung in der Produktion wäre das neue Verfahren eine Sprunginnovation für den Markt der Batteriezellproduktion.

Nach Projektende 2020 soll der Demonstrator mit Praxispartner im Anlagenbau, der Systemintegration und Zellherstellung zu einem seriennahen Prototyp weiterentwickelt werden. Das Projektteam sucht aktuell nach Kooperationspartner aus der Industrie, um die Innovation gemeinsam weiter in die Anwendung zu überführen, als auch aus der Wissenschaft, um das Verfahren in einem Folgeprojekt weiterzuentwickeln und auf andere Anwendungsgebiete zu übertragen.

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