Ein Kostenmodell für Batteriepacks von Elektrofahrzeugen. Sind Kosteneinsparungen bei der Lithium-Ionen-Technologie möglich?


Masterarbeit, 2016
112 Seiten, Note: 1,0

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Ziel und Vorgehensweise

2 Stand der Technik
2.1 Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle
2.2 Lithium-Ion-Zellen als Zukunftstechnologie
2.3 Zellarten
2.4 Hintergrund Fertigung
2.4.1 Von der Elektrode zur Traktionsbatterie
2.4.2 Die Zukunft der Zellfertigung
2.5 Aktuelle Selbstkosten- und Investitionskostenstruktur

3 Überblick der bestehenden Kostenmodelle
3.1 Klassifizierung der Kostenmodelle - Grundmodelle
3.2 Klassifizierung der Kostenmodelle - Erweiterte Modelle
3.3 Geeignete Modelle zur Weiterentwicklung

4 Anforderung an das neue Modell

5 Analyse der Kostenmodelle BatPac & Obermayer
5.1 Produktion in Abhängigkeit des Zelldesigns
5.1.1 Darstellung des Produktionsprozesses
5.1.2 Produktionskosten in Abhängigkeit des Zelltyps
5.1.3 Produktionskosten in Abhängigkeit der Zellgröße
5.1.4 Modellierung der Zukaufteile
5.2 Prognosefähigkeit
5.2.1 Produktionsplanung auf Jahresbasis
5.2.2 Produktions- und Investitionskostenentwicklung
5.2.3 Materialkostenentwicklung
5.3 Einfluss des Produktionsvolumens
5.4 Einfluss der Produktionsqualität
5.5 Modellierung der Standortalternativen
5.6 Kosteneinfluss der Zellchemien
5.7 Zusammenfassung Anpassungsbedarf

6 Im neuen Modell durchgeführte Anpassungen
6.1 Produktion in Abhängigkeit des Zelldesigns
6.1.1 Darstellung des Produktionsprozesses
6.1.2 Produktionskosten in Abhängigkeit des Zelltyps
6.1.3 Produktionskosten in Abhängigkeit der Zellgröße
6.1.4 Modellierung der Zukaufteile
6.2 Prognosefähigkeit
6.2.1 Produktionsplanung auf Jahresbasis
6.2.2 Produktions- und Investitionskostenentwicklung
6.2.3 Materialkostenentwicklung
6.3 Einfluss des Produktionsvolumens
6.4 Einfluss der Produktionsqualität
6.4.1 Zellausschuss in Abhängigkeit des Zelltyps
6.4.2 Zellausschuss in Abhängigkeit der technologischen Entwicklung
6.5 Modellierung der Standortalternativen
6.5.1 Identifikation geeigneter Standorte
6.5.2 Identifikation relevanter Standortfaktoren
6.5.3 Modellierung der harten Standortfaktoren

7 Validierung des neuen Modells
7.1 Validierung der Investitionskosten
7.2 Validierung der Rohstoffpreise
7.3 Validierung der Materialkosten
7.4 Validierung der Packselbstkosten

8 Analyse
8.1 Einfluss der Produktionsvolumina auf die Packprognosekosten
8.2 Einfluss der Standortwahl auf die Packprognosekosten
8.3 Einfluss des technischen Fortschritts nach 2020
8.4 Einfluss moderner Zellchemien auf die Packprognosekosten
8.5 Einfluss des Zelltyps auf die Packprognosekosten

9 Zusammenfassung und Ausblick

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Verwendete Formelzeichen

Literaturverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Problemstellung

Aufgrund des fortschreitenden Klimawandels haben Regierungen weltweit die Dringlichkeit einer schnellen Reduktion der Kohlenstoffdioxidemissionen erkannt. Auch die jüngste UN- Klimakonferenz in Paris im Jahr 2015 war geprägt vom weltweiten Bestreben, CO2-Emissi- onen nachhaltig zu reduzieren, um die menschgemachte globale Erwärmung auf zwei Grad zu beschränken [1].

Aufgrund dieser Klimaziele steigt auch der politische Wille nachhaltige Mobilitätskonzepte, insbesondere die Elektromobilität, von staatlicher Seite zu fördern. Dies geschieht einer- seits durch das Setzen monetärer Kaufanreize, die zumeist steuerlicher Natur sind. Bei- spiele sind hierbei das Wegfallen der Pkw-Kaufsteuer in den Niederlanden oder das Erlas- sen der Zulassungssteuer in Dänemark. Zusätzlich werden Fahrern von Elektrofahrzeugen in vielen Ländern Privilegien zuteil. So dürfen E-Fahrzeuge in Norwegen innerstädtisch gra- tis parken, Busspuren benutzen und überdies an öffentlichen Ladestationen gratis laden [2].

In Deutschland wurden und werden ebenfalls staatliche Anreize gesetzt, um den Absatz von E-Fahrzeugen zu verstärken. So existiert mit dem Elektromobilitätsgesetz (EmoG) auch in Deutschland für Länder, Städte und Kommunen die Möglichkeit, Privilegien für E-Fahr- zeuge durchzusetzen [3]. Von monetärer Seite existiert eine staatliche Kaufprämie von 2000 € für reine Batterieelektrofahrzeuge und von 1500 € für Plug-In Hybridfahrzeuge [4]. Darüber hinaus beschloss der Deutsche Bundestag jüngst eine Verdopplung der Kraftfahr- zeug-Steuerbefreiung für E-Fahrzeuge von fünf auf zehn Jahre [5].

Trotz dieser staatlichen Subventionen schwächelt der Absatz von Elektrofahrzeugen in Deutschland. Das sich staatlich selbstverordnete Ziel von einer Million zugelassener Elekt- rofahrzeuge bis zum Jahr 2020 erscheint bei aktuell lediglich 25.502 zugelassenen rein elektrisch betriebener Fahrzeuge (engl. Battery Electric Vehicle - BEV) und 130.365 zuge- lassenen Plug-in-Hybriden (engl. Plug-in Hybrid Electric Vehicle - PHEV) zusehends als unrealistisch [6]. Einer der Hauptgründe für den schleppend verlaufenden Verkauf von Elektrofahrzeugen ist der trotz staatlicher Förderungen nach wie vor hohe Anschaffungs- preis dieser Fahrzeuge.

Bei einer genaueren Betrachtung der Kostenstruktur von E-Fahrzeugen kann als wichtigs- ter Kostentreiber die Traktionsbatterie identifiziert werden. Hierbei sind wiederum zwei Fak- toren für die hohen Batteriekosten verantwortlich. Zum einen werden aktuell für die Herstel- lung leistungsfähiger Zellen seltene und in der Regel somit teure Rohstoffe wie Lithium, Graphit oder Kobalt benötigt [7], zum anderen ist die Produktion, insbesondere großforma- tiger Lithium-Ionen-Zellen, aufgrund des fehlenden Massenmarktes noch nicht ausgereift. Skalen- und Lerneffekte haben sich noch nicht vollständig materialisiert [8].

Aufgrund des aktuell noch nicht wettbewerbsfähigen Preises der Lithium-Ionen-Technolo- gie ist daher die Beantwortung der Frage, ob nennenswerte Kosteneinsparungen im Be- reich der Fertigung und der Materialkosten realisierbar sind, von zentraler Bedeutung, um das zukünftige Potential von Elektrofahrzeugen abschätzen zu können.

1.2 Ziel und Vorgehensweise

Ziel dieser Arbeit ist das Entwickeln eines „neuen Modells“ durch die systematische inhalt- liche Erweiterung und methodische Verbesserung bestehender Kostenmodelle. Dabei um- fasst die inhaltliche Weiterentwicklung funktionale Erweiterungen des Kostenmodells wie das Modellieren neuer, alternativer Produktionsstandorte. Methodische Weiterentwicklun- gen auf der anderen Seite haben zum Ziel, die Produktionswirklichkeit möglichst realistisch und theoretisch fundiert im Kostenmodell abzubilden, und etwaige strukturelle Schwach- stellen bestehender Modelle aufzudecken und zu beheben. Dabei liegt der Fokus dieser Arbeit auf einer fundierten Kostenmodellierung und somit primär auf betriebswirtschaftli- chen Fragestellungen. Parallel befasst sich Freudenstein [9] mit technisch relevanten Fra- gestellungen wie das Modellieren verschiedener Zellchemien. Beide Arbeiten sind komple- mentär und als „Schwesterarbeiten“ zu betrachten und bilden gemeinsam das neue Modell.

Der Rest dieser Arbeit gliedert sich wie folgt: In Kapitel 2 wird zunächst grundlegendes Wissen über die Lithium-Ionen-Technologie vermittelt. Dies umfasst neben der Funktions- weise der Lithium-Ionen-Zelle ihre Eignung als Zukunftstechnologie. Zusätzlich werden die verbreiteten Zelldesigns vorgestellt und es wird in besonderem Maße auf die unterschiedli- chen Herstellungsprozesse dieser eingegangen. Dabei werden auch erwartete technologi- sche Entwicklungen innerhalb der Zellfertigung beleuchtet. Abschließend erfolgt eine Ana- lyse aktueller in der Zell- und Packproduktion anfallender Kosten.

Kapitel 3 gibt einen Überblick über die in der Fachliteratur bereits existierenden Lithium- Ionen-Kostenmodelle. Diese Modelle werden einer Klassifizierung unterzogen. Ziel dieses Kapitels ist es zudem, geeignete Modelle zu identifizieren, die zur Weiterentwicklung ge- eignet sind.

Im vierten Kapitel erfolgt die Definierung der konkreten inhaltlichen und funktionalen Anfor- derungen an das neue Modell.

Im fünften Kapitel erfolgt eine tiefgreifende Analyse der zur Weiterentwicklung geeigneten Kostenmodelle . Hauptziel dabei ist den Anpassungsbedarf bezüglich der in Kapitel 4 for- mulierten Anforderungen an das neue Modell zu identifizieren. Dabei liegt der Fokus auf der betriebswirtschaftlichen Fundierung und Modellierungslogik des Modells.

Im sechsten Kapitel werden die konkret durchgeführten inhaltlichen und konzeptionellen Anpassungen vorgestellt. Neben der gewählten Modellierungslogik wird die theoretische Fundierung selbiger dargestellt.

Kapitel 7 dient der Modellvalidierung. Dabei werden die gewählte Modellierungslogik und getroffenen Annahmen überprüft, indem Modellergebnisse mit aktuellen Zell- und Packprei- sen verglichen werden.

Im achten Kapitel erfolgt die Analyse zukünftig zu erwartender Batteriepreise. Es wird der aktuelle und erwartete Einfluss verschiedener Faktoren wie Produktionsvolumina, Stand- ortalternativen oder Zelldesigns untersucht.

Kapitel 9 fasst die wichtigsten Modellerkenntnisse zusammen und schließt mit einer kriti- schen Modellreflexion ab. Im Zuge dessen erfolgt ein Ausblick über weitere mögliche Mo- dellanpassungen.

Abbildung 1.1 stellt die Struktur der Arbeit grafisch vor

(Abbildung nicht Teil der Veroffentlichung)

2 Stand der Technik

Das Wissen um den aktuellen Stand der Technik ist für die Entwicklung eines Lithium-Io- nen-Batterie-Kostenmodell (LIB-Kostenmodell) unerlässlich. Im vorliegenden Kapitel erfolgt daher eine Einführung in die Technologie.

2.1 Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle

Die primären, funktionalen Komponenten einer Lithium-Ionen-Zelle umfassen positive (Ka- thode) und negative Elektroden (Anode), bestehend aus Ableiterfolie und Aktivmaterial, Se- parator, Elektrolyt, sowie Gehäuse [10, S. 22]. Zusätzlich werden in den Zellen häufig Si- cherheitselemente wie Überdruckventile oder Sicherungen wie das Current Interrupt Device (CID) verbaut [11, S. 77].

Abbildung 2.1 zeigt den schematischen Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle. Ebenfalls wird die grundlegende Funktionsweise einer Zelle anhand des Schaubilds skizziert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle [12]

Die beiden Stromableiter der Lithium-Ionen-Zelle gewährleisten den Elektrodenfluss, der während des Entladevorgangs von Anode zur Kathode verläuft, und, während des Lade- vorgangs entsprechend entgegengesetzt. Als positive Ableiter werden Aluminiumfolien ver- wendet, im Falle der negativen Ableiter handelt es sich hingegen zumeist um Folien aus Kupfer. Die Dicken der der beiden Ableiterfolien unterscheiden sich hierbei leicht. Während kathodenseitig Dicken von 20 bis 25 Mikrometer (μm) verwendet werden, liegen diese ano- denseitig bei acht bis 18 μm [10, S. 23].

Die verschiedenen Lithium-Ionen-Zelltechnologien unterscheiden sich primär durch die Wahl des in der positiven Elektrode verwendeten Aktivmaterials. Zum heutigen Zeitpunkt ist bereits eine Vielzahl verschiedener Alternativen im Einsatz. Dabei sind die Chemien Ko- baltoxid (LCO) Manganoxid (LMO), Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC), Nickel-Kobalt-Alu- miniumoxid (NCA) und Eisenphosphat (LFP) wichtige Vertreter. In Abhängigkeit des ge- wählten Aktivmaterials ändern sich charakteristische Parameter wie Masse, Kapazität, Zell- alterung, oder Überladungsverhalten der Zelle. Ebenfalls können die Kosten einer Zelle in Abhängigkeit des gewählten Aktivmaterials stark variieren. Die Wahl des Kathodenaktiv- materials ist somit bei der Herstellung von Traktionsbatterien ein wichtiger Entscheidungs- parameter [10, S. 25].

Schichtförmige Kohlenstoffmodifikationen, sogenannte Graphene, stellen den wichtigsten Vertreter des anodenseitigen Aktivmaterials dar. Als Alternativen hierfür werden Titanate oder Silizium erwogen. Vorteile dieser Alternativen sind zum Teil erheblich verkürze Lade- zeiten und verbesserte Energiedichten. Vorteil des Graphens ist dessen Gewicht, Preis und Zyklenfestigkeit [13, S. 299].

Der Separator trennt die Elektroden physisch voneinander und verhindert somit den direk- ten Kontakt. Gleichzeitig erlaubt er jedoch den Transport der Lithium-Ionen aufgrund seiner porösen Struktur. Wie im Schaubild zu sehen, bewegen sich die Lithium-Ionen parallel zum Elektrodenfluss während des Entladevorgangs von Anode zu Kathode, bzw. während des Ladevorgangs von Kathode zur Anode. Als Separatoren werden in der Regel Polymere mit Dicken von ca. 30 μm verwendet. Ebenfalls existieren hitzebeständigere Separatoren aus Keramiken [13, S. 309, 14].

Der Flüssigelektrolyt füllt den Leerraum zwischen positiver und negativer Elektrode voll- ständig aus und dringt dabei bis in die Porenstruktur der Elektroden vor. Die Elektrolytflüs- sigkeit besteht dabei aus einer Lithiumsalzlösung, die in einem organischen Lösungsmittel (Carbonat) gelöst ist. Das am häufigsten verwendete Leitsalz ist dabei Lithium-Hexafluoro- phosphat (LiPF6), welches in nahezu allen handelsüblichen Zellen vorliegt [10, S. 23]. In neuartigen Lithium-Ionen-Batterien werden zudem Polymerelektrolyte eingesetzt. Diese zeichnen sich durch hohe mechanische Flexibilität und chemische Stabilität aus. Nachteilig ist die geringe Leitfähigkeit bei Raumtemperatur [11, S. 53, 15].

Das Zellgehäuse schützt das Zellinnere vor mechanischen Beanspruchungen und dem Ein- dringen von Fremdstoffen und variiert in Abhängigkeit des Zelltyps (Abschnitt 2.3). Insbe- sondere das Eindringen von Wasser muss vermieden werden, da dieses innerhalb der Zelle hochreaktiv wirkt und den Elektrolyten und lithiiertes Graphit schwer beschädigen kann. Wichtiger Bestandteil aller Zellgehäuse sind aus diesem Grund metallische Werkstoffe, weil diese die Diffusionswirkung von Wasser unterbinden. Zellgehäuse aus reinem Kunststoff sind aus diesem Grund nicht vorzufinden [10, S. 24].

2.2 Lithium-Ion-Zellen als Zukunftstechnologie

Lithium-Ionen-Batterien gelten als die erfolgversprechendste elektrische Speichertechnolo- gie. Dies liegt primär an seinen, im Vergleich zu konkurrierenden Speichertechnologien, überlegenen elektrochemischen Eigenschaften (Abbildung 2.2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Die Lithium-Ionen-Technologie im Vergleich zu alternativen Speichersysteme Eigene Darstellung, in Anlehnung an [16]

Sowohl hinsichtlich der spezifischen Energie, das heißt der je Masseeinheit speicherbaren elektrischen Energie, als auch hinsichtlich der spezifischen Leistung, das heißt der je Mas- seeinheit abrufbaren Leistung, ist die Lithium-Ionen-Technologie ihren Konkurrenten über- legen.

Allerdings weist die Lithium-Ionen-Technologie auch nachteilige Charakteristika auf. Dies betrifft zu allererst Sicherheitsaspekte, wobei hier insbesondere die Gefahr thermischer In- stabilität (engl. Thermal Runaway) zu erwähnen ist. Bei einem Thermal Runaway kommt es zu einem Bersten und Brennen der Zelle, häufig in Folge von missbräuchlicher Handha- bung. Dieser kann aufgrund thermischer (Überhitzung), elektrischer (Überladung) und me- chanischer (Durchbrechung, Durchbohrung) Überbeanspruchung hervorgerufen werden [17].

Die Gefahr mechanischer Überbeanspruchung in Folge eines Unfalls könnte im Straßen- verkehr eine besondere Herausforderung darstellen [18].

Ebenfalls könnte sich die weltweite Verfügbarkeit wichtiger Rohstoffe als problematisch er- weisen. So sind insbesondere die nutzbaren Reserven des Grundrohstoffs Lithium stark begrenzt, die weltweit auf ca. 6,8 Mio. Tonnen geschätzt werden. Würde der weltweite Fahrzeugbestand, welcher sich im Jahre 2015 auf ca. 1,2 Milliarden Fahrzeuge belief, rein elektrisch betrieben werden, und zu diesem Zweck mit einer Lithium-Ionen-Traktionsbatte- rie ausgestattet werden, so benötigte man dafür ca. 5,4 Mio. Tonnen Lithium [19, 20, S. 128]. Dies entspricht knapp 80 % der wirtschaftlich nutzbaren Lithium-Reserven. Darüber hinaus verteilen sich über 90 % der nutzbaren Reserven auf die Länder Argentinien, Boli- vien, Chile und China, was einen freien Markt erschwert und somit erhöhte Rohstoffpreise mit sich bringen könnte.

2.3 Zellarten

Nach der Einführung der LIB-Technologie haben sich drei grundsätzliche Zelldesigns zu- nächst im Markt für Gebrauchsgütermarkt etabliert. Hierbei handelt es sich um zylindrische und prismatische Zellen, sowie Pouchzellen. Die drei Zellarten lassen sich anhand ihrer Geometrie sowie ihres inneren und äußeren Aufbaus unterscheiden. Auch in der Elektro- mobilität werden Zellen verwendet, die einem der drei Arten zugeordnet werden können.

Zylindrische Zelle

Entsprechend ihres Namens weisen zylindrische Lithium-Ionen-Zellen eine charakteristi- sche zylinderförmige Geometrie auf, wobei sich die beiden Pole jeweils am Kopfende der Zelle befinden. Alternativ werden zylindrische Zellen auch als Rundzellen bezeichnet. Sie zeichnen sich durch ihr festes Gehäuse aus, die in der Regel aus Stahlblechen gefertigt ist [11, S. 72]. Alternativ werden Aluminiumgehäuse aufgrund des Gewichtvorteils verwendet [10, S. 24]. Abbildung 2.3 skizziert den inneren Aufbau einer zylindrischen Zelle.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Aufbau einer zylindrischen Zelle [21]

Im Zellinneren befindet sich langes, mehrschichtiges Band, bestehend aus je einer doppel- seitig beschichteten Anoden- und Kathodenschicht sowie zwei diese voneinander trennen- den Separatorenschichten, die zu einem sogenannten Rundwickel gewickelt werden. Ein solcher Wickel wird auch als „Jelly Roll“ bezeichnet.

Ein Vorteil zylindrischer Zellen ist, dass sich mit der Zelle des Typ 18650 eine in Massen- produktion gefertigte Standardzelle im Markt etabliert hat.

Die Angabe 18650 lässt dabei auf die Zellmaße schließen (Abbildung 2.4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Die 18650-Zelle [21]

Die ausgereifte, hochautomatisierte Produktion in großen Stückzahlen sorgt für gleichblei- bend hohe Qualität und Kostenvorteile gegenüber anderen Zelldesigns. Außerdem ist die Rundwickeltechnologie erprobt, wodurch sich besonders hohe Wickelgeschwindigkeiten re- alisieren lassen [22, S. 231]. Die mechanisch robuste Zelle weist eine hohe Dichtigkeit auf und hält gewisse Innendrücke ohne mechanische Verformung aus [13, S. 303]. Verglichen mit anderen Zelldesigns verfügt die Rundzelle über höhere Lebensdauererwartung. Eben- falls weisen zylindrische Zellen hohe spezifische Energien auf.

Nachteilig wirkt sich die geometriebedingte, ineffiziente Bauraumnutzung aus, die zu einer vergleichbar schlechten Energiedichte auf Modul- und Packebene führt. Auch erfordern Batteriepacks auf Basis zylindrischer Zellen in der Regel ein aufwändiges Kühlkonzept auf- grund der Gefahr großer Temperaturgradienten in radialer Richtung [11, S. 55-56].

Zylindrische Zellen sind insbesondere im Gebrauchsgütermarkt seit längerer Zeit weit ver- breitet. Dabei sind insbesondere Zellen des Typs 18650 häufig im Einsatz. In vielen Geräten wie Laptops oder Akku-Bohrschraubern finden sich primär Zellen dieses Typs [23, S. 112]. So sind ca. 80% aller Laptops mit 18650 Zellen bestückt [24]. Auch im Automobilbereich werden zylindrische Zellen vom Typ 18650 verwendet. So ist zum Beispiel der Tesla Model S mit 18650 Zellen bestückt. Der Honda Insight, ein weiteres BEV, wird allerdings mit Zellen der Größe D (Mono) betrieben [25].

Im Jahr 2014 betrug das Gesamtproduktionsvolumen zylindrischer Zellen 1925 Millionen bei einem 3 % Vorjahreswachstum. Größter Hersteller zylindrischer Zellen ist Sanyo-Pa- nasonic (39%), gefolgt von Samsung (29%) und LG (18%) [24].

Prismatische Zelle

Prismatische Zellen sind quaderförmige Zellen mit Festgehäuse, das ähnlich zylindrischer Zellen aus Stahl oder Aluminium gefertigt. In der Regel sind beide Pole an einer der beiden Stirnseiten zu finden.

Abbildung 2.5 zeigt den schematischen Aufbau einer prismatischen Zelle.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: Aufbau einer prismatischen Zelle [21]

Ähnlich der zylindrischen Zelle werden positive und negative Elektrode getrennt durch den Separator gewickelt. Anders als bei zylindrischen Zellen entsteht hierbei jedoch kein Rund- sondern geometriebedingt ein Flachwickel. Es existieren jedoch auch Zellvarianten mit ge- falteten oder gestapelten Elektrodensheets.

Das quaderförmige Gehäuse prismatischer Zellen ermöglicht eine effiziente Bauraumaus- nutzung ohne Zwischenräume. Dabei können prismatische Zellen ohne zusätzliches Ge- häuse zu Modulen verbaut werden, sodass sich spezifische Energie und Leistung auf Mo- dulebene nicht wesentlich verringern. Ebenfalls vorteilhaft ist die einfache Montage der Zel- len zum Modul und die flexible Gestaltung der Zellabmessungen. Auch bezüglich der Dich- tigkeit erweisen sich prismatische Zellen als besonders sicher. Von ihren Kühleigenschaf- ten ist die prismatische Zelle zwischen Pouch- und zylindrischer Zelle anzusetzen [11, S. 56].

Im Verbrauchsgütermarkt werden prismatische Zellen häufig im Mobiltelefonbereich ver- wendet. Rund 50% aller Mobiltelefone sind mit kleinformatigen prismatischen Zellen aus- gerüstet. Im Automobilbereich finden großformatige prismatische Zellen Anwendung, so zum Beispiel in den BEV Mitsubishi i-MiEV oder BMW i3.

Rund 1200 Millionen prismatische Zellen wurden im Jahr 2014 hergestellt. Seit dem Errei- chen des Produktionshöchststandes von 1600 Millionen Zellen im Jahr 2011 ist die Produk- tion dieses Zelltyps allerdings rückläufig. Marktführer bei prismatischen Zellen ist Samsung SDI (26%), gefolgt von LG (19%). Drittgrößter Anbieter ist Sanyo-Panasonic (15%) [24].

Pouchzelle

Pouchzellen, auch bekannt als Folien-, Laminat, Flach- oder Coffee-Bag-Zellen, haben, an- ders als prismatische oder zylindrische Zellen, kein festes Außengehäuse. Als Verpackung dient vielmehr ein Verbundmaterial. Im Gegensatz zu zylindrischen oder prismatischen Zel- len werden Elektroden und Separatorschicht in der Regel nicht gewickelt, sondern gefaltet oder gestapelt.

Abbildung 2.6 zeigt den schematischen Aufbau einer Pouchzelle.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6: Aufbau einer Pouchzelle (Flachzelle) [21]

Pouchzellen verfügen über eine hohe Energiedichte und sehr gute Kühleigenschaften. Ins- besondere im Vergleich mit zylindrischen Zellen weisen Pouchzellen ein sehr gutes Ober- flächen-Volumen-Verhältnis auf, sodass Wärmeentwicklung während des Lade- und Ent- ladevorgangs gut abgeführt werden kann [11, S. 54]. Auch ist die Zellverpackung durch Tiefziehen, Schneid- und Stanzoperationen leicht und günstig herzustellen [22, S. 232]. Das Verbundmaterial ist im Vergleich zu den Metallgehäusen prismatischer und zylindrischer Zellen bedeutend leichter und flacher, sodass sich eine effiziente Bauraumausnutzung und ein geringes Gewicht ergeben. Allerdings wird der Gewichtsvorteil teilweise durch ein, auf Modulebene erforderliches, stabiles Gehäuse egalisiert.

Die langfristige Foliendichtigkeit und das Aufbähen bei Druckaufbau stellen die größten Herausforderungen an Pouchzellen dar. Ebenfalls stellt das Realisieren einer kostengüns- tigeren Produktion ein wesentliches Ziel dar [11].

Im Verbrauchsgütermarkt ist die Mobiltelefonie für Pouchzellen ein wichtiger Anwendungs- bereich. Rund 50% aller Mobiltelefone sind mit Pouchzellen bestückt. Im Bereich Tablet- Markt waren es im Jahr 2014 sogar 100% [24]. In der Elektromobilität finden großformatige Pouchzellen Anwendung. Hier ist der Nissan Leaf zu nennen, der als reinelektrisches Fahr- zeug mit Pouchzellen ausgerüstet ist.

Die Produktion von Pouchzellen hat in den vergangenen Jahren das stärkste Wachstum aller Zelldesigns erlebt. So betrug das Vorjahreswachstum 32% für das Jahr 2014. Auch bei absoluten Zahlen sind Pouchzellen seit 2013 führend. So wurden im Jahr 2014 rund 2200 Millionen Pouchzellen hergestellt. Größter Hersteller von Pouchzellen ist ATL mit ca. 16% Marktanteil. Platz zwei erreicht Sony (15%), Samsung SDI folgt auf drei (13%) [24].

2.4 Hintergrund Fertigung

Im Folgenden Abschnitt wird zunächst die Zell- und Packfertigung zum Stand der Technik vorgestellt. Im Anschluss werden die erwarteten technologischen Entwicklungen in der Fer- tigung erörtert.

2.4.1 Von der Elektrode zur Traktionsbatterie

Die Zellherstellung kann in die Hauptprozesse Elektrodenfertigung, Zellassemblierung und Zellfinalisierung eingeteilt werden. Im Anschluss an die Zellherstellung werden die Zellen zu Modulen und schlussendlich zu Batteriepacks assembliert. Über den gesamten Herstel- lungsprozess fallen zudem Hilfsprozesse an. Abbildung 2.7 fasst die Hauptprozesse der Zellfertigung grafisch zusammen.

Abbildung 2.7: Eigene

Darstellung (nicht Teil der Veröffentlichung)

Im Folgenden werden nun sämtliche Hauptprozesse näher beleuchtet.

2.4.1.1 Fertigung der Elektrode

Der Zellherstellungsprozess beginnt mit der Fertigung von Anode und Kathode. Dieser Hauptprozess läuft fertigungstechnisch für alle drei Zelltypen sehr ähnlich ab [11, S. 61]. Abbildung 2.8 zeigt die die Elektrodenfertigung umfassenden Teilprozesse.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.8: Hauptprozess Elektrodenfertigung Eigene Darstellung

Die Elektrodenfertigung beginnt mit dem Mischprozess. Dabei werden Aktivmaterialien, Binder, Lösungsmittel, und Additive zu einer Beschichtungspaste, dem sogenannten Slurry, gemischt. Hierbei ist auf einen an den organischen Binder abgestimmten Temperaturbe- reich zu achten. Prozesskritisch ist es auch eine optimale Partikelgröße der Aktivmaterialien zu erreichen, höchstmögliche Homogenität des Slurrys zu gewährleisten, sowie Gasbläs- chenbildung zu verhindern [11, S. 62].

Im Anschluss wird der Slurry der Beschichtungsanlage zugeführt. Dies geschieht alternativ durch Zuführung in Rohrleitungen oder in atmosphärisch abgeriegelten Behältern [11, S. 62]. Eine Pumpe dosiert den Slurry und die Trägerfolien aus Aluminium (Kathode) und Kup- fer (Anode) werden mit einer 50 bis 300 μm dicken Schicht beschichtet [26, S. 185]. Dabei kann die Beschichtung gleichzeitig auf beiden Seiten oder nacheinander auf je einer Seite erfolgen. Die Wahl eines geeigneten Beschichtungssystems ist hierbei wichtig, da das Er- reichen einer konstanten Beschichtungsdicke für die spätere Zellqualität von entscheiden- der Bedeutung ist [27]. Zur Auswahl stehen die Auftragssysteme Schlitzdüse, Rakel, und Rasterwalze [28]. Die Beschichtung kann dabei durchgehend oder unterbrochen (intermit- tierend) erfolgen.

Nach einer Beschichtungsdickenmessung wird die Elektrodenfolie einem Trockner zuge- führt. Die Trocknung erfolgt kontinuierlich und bei gleichbleibender Geschwindigkeit, da Be- schichtungs- und Trocknungseinheit aneinandergekoppelt sind. Dies setzt lange Trock- nungsstrecken bei hohen Bahngeschwindigkeiten voraus. Grundsätzlich können verschie- dene Trocknertechnologien wie Inertgastrockner, Schwebebahntrockner oder Doppelstock- trockner zum Einsatz kommen. Dabei erlaubt ein Doppelstocktrocknersystem mit integrier- tem aufeinanderfolgendem Beschichtungssystem eine einfache Beschichtung und Trock- nung der Elektrode [11, S. 64]. Bei einer simultanen doppelseitigen Beschichtung ist hinge- gen ein Schwebebahntrockner zu verwenden [29].

Während des Trocknens wird das Lösungsmittel dem Slurry durch Wärmezufuhr entzogen. Das anodenseitig verwendete Lösungsmittel ist Wasser, welches verdampft. Das katho- denseitig verwendete Lösungsmittels (N-Methyl-2-pyrrolidon - NMP) wird aufgrund seiner Giftigkeit und des hohen Einkaufspreises in der Regel nahezu vollständig rückgewonnen. Nicht rückgewinnbare Bestandteile werden der thermischen Nachverbrennung zugeführt. Wird auf eine Rückgewinnung komplett verzichtet, werden die Lösungsmitteldämpfe direkt der thermischen Nachverbrennung zugeführt.

Nach der Trocknung wird die Elektrode unter Druck auf ein definiertes Maß gewalzt. Dieser Vorgang wird als Kalandern bezeichnet und soll eine reduzierte Porosität herbeiführen, da auf diese Weise eine Steigerung der Energiedichte erreicht werden kann [30]. Hierzu wird die beschichtete Elektrode mittels Walzen mit Liniendrücken von 1500 N / mm bis zu 6000 N / mm beaufschlagt [11, S. 67]. Beim Kalandern erweist sich das Einhalten eines konstan- ten Liniendrucks als prozesskritisch. Ebenfalls ist eine komplette Reinhaltung der Kalander- walzen zu gewährleisten [29].

Nach dem Kalandern wird die Elektrodenbahn, die ursprünglich auf einer Breite von bis zu 130 cm beschichtet wurde, in schmalere Bahnen geschnitten [31, S. 31].

Im Anschluss an das Kalandern wird das zuvor aufgewickelte Elektrodenband in eine Slit- tingmaschine eingelegt, und bei konstanter Schnittgeschwindigkeit von 30 – 50 m/min in Längsrichtung geteilt [11, S. 67]. Dieser Vorgang wird als Elektrodenslitting (engl. slitting - aufschlitzen / in Streifen schneiden) bezeichnet. Das ursprüngliche Elektrodenband wird auch als Muttercoil bezeichnet, die daraus resultierenden Bänder als Tochter Coils, deren Breite in Abhängigkeit des geforderten Zelldesigns und -größe gewählt werden. Grundsätz- lich ist es möglich das Muttercoil mittels Messer- oder Laserschnitt zu teilen. Insbesondere prozesskritisch sind die Schnittkantengeometrien (Einhalten der Toleranzen, Gratfreiheit) sowie die thermische und mechanische Belastung während des Prozesses [32, S. 39].

Das Vakuumtrocknen der Tochtercoils stellt den finalen Prozessschritt der Elektrodenferti- gung dar. Weil die Zellassemblierung in einem Trockenraum erfolgt, müssen die Elektroden ein weiteres Mal getrocknet werden, um geringe Restwassermengen zu entfernen. Dies kann sowohl als gewickelter Coil in einem Vakuumtrockenschrank oder als Bahnware im Durchlauf erfolgen [33, S. 240].

2.4.1.2 Assemblierung der Zelle

Im Anschluss an die Elektrodenfertigung erfolgt die Assemblierung der Zellen. Dieser Hauptprozess wird in einem besonders kontrollierten Umfeld, in sogenannten Trockenräu- men, durchgeführt. Die Prozessschritte der Zellassemblierung unterscheiden sich in Ab- hängigkeit des gewählten Zelldesigns maßgeblich. Abbildung 2.9 veranschaulicht die die Zellassemblierung umfassenden Prozesse und verdeutlicht den zelltypabhängigen Charak- ter des Hauptprozesses.

Abbildung 2.9: nicht Teil der Veröffentlichung

Aufgrund der großen zellabhängigen Fertigungsunterschiede werden die Prozessschritte der Zellassemblierung für die drei Zelldesigns einzeln vorgestellt.

Pouchzelle

Die Zellassemblierung der Pouchzelle beginnt mit der Vereinzelung der Elektroden zu rechteckigen Platten. Diese werden aus den Tochtercoils mittels Stanzen, Keilschnitt, oder Laserschnitt separiert [32, S. 41]. Bei diesem Prozessschritt ist, analog zum Elektrodenslit- ting, auf saubere, gratfreie Schnittkanten zu achten. Ebenfalls prozesskritisch ist das Ab- saugen des beim Schneidvorgang abgetragenen Materials [22, S. 225].

Im Anschluss werden die vereinzelten Platten mit dem Separator zu einem Stapel (engl. Stack) geschichtet. Dies kann nach dem Prinzip des Einzelblattstapelns (engl. Single- Sheet-Stacking) erfolgen oder alternativ nach dem Prinzip des Z-Faltens (engl. Z-Folding).

Beim Einzelblattstapeln wird neben den Elektroden auch der Separator zu Platten verein- zelt und die Schichten in abwechselnder Reihenfolge aufeinandergelegt. Es entsteht eine Konfiguration nach dem Muster Anode, Separator, Kathode, Separator, Anode [11, S. 69]. Beim Z-Falten hingegen wird der Separator nicht vereinzelt, sondern Z-förmig gefaltet, und die einzelnen Anoden- und Kathodensheets in abwechselnder Reihenfolge seitlich einge- legt (Abbildung 2.10) [34].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.10: Das Z-Falten Eigene Darstellung

Nachdem Stapeln oder Falten der Folien, wird der überstehende, unbeschichtete Rand der Anoden- bzw. Kathodenfolien zusammengeführt und zu einem Ableiter verschweißt. Dieser Prozessschritt kann alternativ mithilfe des Ultraschallschweißens oder des Laserschwei- ßens durchgeführt werden. Im Anschluss werden die soeben gefertigten Ableiter mit der Kontaktfahne der Zelle verschweißt. Hierfür findet ebenfalls alternativ das Ultraschall- schweißen oder das Laserschweißen Anwendung [11, S. 70].

Nach einer optischen Überprüfung wird der Zellstapel in die Verpackung eingebracht. Diese besteht meist aus einem Aluminumverbundstoff und wird in der Regel als Flachbeutel oder Tiefziehteil ausgeführt. Ein Beispiel für einen solchen Verbundstoff wäre eine Dreischicht- folie bestehend aus Polyethylenterephthalat (PET) als äußerste Schicht, einer dünnen Alu- miniummittelschicht, und einer inneren Schicht aus Polypropylen (PP) [35, S. 5]. Von Vorteil beim Verwenden eines Tiefziehteils ist die Platzsparsamkeit der gefertigten Pouchzelle. Die begrenzte Foliendicke wirkt sich allerdings nachteilig auf die Stabilität der Zelle aus. Vor- teilhaft bei der Wahl eines Flachbeutels ist die potentiell höhere Beuteldicke, die eine er- höhte Stabilität der Zelle bedingt. Ebenfalls gestaltet sich das Versiegeln eines Flachbeutels als einfacher. Einhergehend mit der erhöhten Beuteldicke ist jedoch der erhöhte Platzbe- darf dieser Zellverpackung nachteilig zu bewerten [11, S. 71].

Nach der Einbringung in die Verpackung wird die Zelle mit Elektrolyt befüllt, bis das Aktiv- material vollständig bedeckt ist. Beim Einfüllen des Elektrolyts muss dieses vor Feuchtigkeit geschützt werden, da es bei Wasserkontakt zur Bildung von Fluorwasserstoffsäure kom- men kann. Des Weiteren ist das Elektrolyt leicht flüchtig und muss am Entweichen gehindert werden. Daher erfolgt die Befüllung in einem abgeschlossenen System unter Schutzgasat- mosphäre oder Vakuum [11, S. 70-71].

Nach der Elektrolytbefüllung wird in einem nächsten Schritt die Zelle mit einer Folienlage abgedeckt und zwischen Abdeckfolie und Unterseite gesiegelt. Prozesskritisch ist es eine hohe Zelldichtigkeit trotz der aus der Zelle ragenden Kontaktfahnen zu gewährleisten. Je dicker hierbei die Kontakte, desto schwieriger ist es, eine langfristige Dichtigkeit zu gewähr- leisten [11, S. 72]. Nach dem Versiegeln ist die Zelle nach Außen hermetisch abgeschlos- sen, dennoch ist bei diesem Prozess vom sogenannten Teilsiegeln die Rede. Dies ist der Fall, da bei diesem Siegelvorgang im Rahmen des Zellverschlusses zusätzlich eine Gastasche (engl. Gas Bag) ausgebildet wird. Der Übergang vom eigentlichen Zellinneren zur Gastasche bleibt dabei unversiegelt, um Gase, welche während der Formation in der Zelle entstehen, auffangen zu können. Erst nach der abgeschlossenen Formation wird die Gastasche aufgestochen, das Gas abgesaugt, und die Zelle durch erneutes Siegeln end- gültig verschlossen.

Prismatische Zelle

Eine Vereinzelung der Elektroden bzw. auch der Separator-Bahnen findet bei prismatischen Zellen in der Regel nicht statt. Zwar gibt es auch prismatische Zellvarianten, bei welchen die Elektroden wie im Falle der Pouchzelle durch Einzelblattstapeln oder Z-Falten im Zellin- nern angeordnet werden, verbreiteter ist jedoch das Flachwickeln der Elektroden- und Se- parator-Bahnen [13, S. 302]. Dieser als Jelly-Roll bezeichnete Wickel wird gebildet, indem Bahnen von Anode, Separator und Kathode um einen flachen Dorn aufwickelt werden. Da- bei wird die gewünschte Wickellänge direkt aus dem Tochtercoil abgelängt [29]. Weil der Wickel dazu neigt, sich teilweise wieder zu entrollen, wird er häufig mithilfe eines Klebe- streifens fixiert. Prozesskritisch beim Wickelprozess ist die genaue Abstimmung von Zug- kraft und Wickelgeschwindigkeit, um eine möglichst dichte Wicklung zu erzeugen. Außer- dem ist beim Flachwickeln auf die engen Radien an den spitzen Enden des Wickels zu achten, da es dort zum Abplatzen der Aktivmaterialien kommen kann [26, S. 186].

Im nächsten Schritt erfolgt das Ableiterschweißen. Hier gibt es zwei konzeptionelle Alterna- tiven. In der ersten Variante werden die unbeschichteten Ränder der Elektrodenbahnen, die seitlich aus der Jelly-Roll herausragen, zusammengepresst und zu Ableitern ver- schweißt. Im Anschluss werden die Ableiter mit den Kontaktfahnen der Terminals ver- schweißt, welche im Gehäusedeckel untergebracht sind. Beide Schweißvorgänge können mittels Ultraschallschweißverfahrens oder Laserschweißens durchgeführt werden, in der Praxis hat sich jedoch das Ultraschallschweißen bestätigt [36]. Problematisch ist in beiden Fällen jedoch die Erzeugung einer doppelten Schweißnaht an den unbeschichteten Rän- dern, die sich kritisch auf die Festigkeit auswirkt. Bei der zweiten Alternative werden Kon- taktfahnen am unbeschichteten Anoden- bzw. Kathodenbahnende mittels Ultraschall- schweißen angebracht. Hierfür muss jedoch die Elektrode von Aktivmaterial gereinigt wer- den oder vorab eine intermittierende Elektrodenbeschichtung durchgeführt werden [26, S. 189]. Im Anschluss an das Anschweißen der Kontaktfahnen erfolgt auch bei dieser Alter- native das Verschweißen der Kontakte mit den Zellterminals.

Bevor der Jelly Roll in das Gehäuse eingeführt wird, muss er mit einer Folie gegen das Gehäuse isoliert werden. Dazu wird eine Isolatorfolie als Tasche über den Wickel gestülpt. Alternativ kann das Gehäuse auch mit Isolatorfolie ausgekleidet werden. Prozesskritisch beim Einführen des Jelly-Rolls ist eine präzise und verkantungsfreie Positionierung im Ge- häuse. Ansonsten kann es zu Deformationen am Wickel oder zu Beschädigungen an der Isolierung kommen [11, S. 73].

Nach dem erfolgreichen Einbringen des Wickels wird der Deckel auf dem Gehäuse fixiert und per Laserschweißen verschweißt. Damit ist die Zelle jedoch noch nicht vollständig ver- schlossen, da im Gehäusedeckel neben den Terminals auch das Überdruckventil sowie ein Befüllungsventil für den Elektrolyten untergebracht ist.

Durch das unverschlossene Befüllungsventil wird in einem nächsten Schritt die Zelle mit dem Elektrolyten befüllt. Hierfür wird die Zelle zunächst evakuiert, um eine Kapillarwirkung zu erzeugen, um dann unter Schutzgasatmosphäre in einem zyklischen Prozess die Zelle zu befüllen. Eine zyklische Befüllung ist notwendig, um eine vollständige Verteilung des Elektrolyten im Zellinneren zu gewährleisten [11, S. 74].

Nach der erfolgten Befüllung werden einige Zellvarianten unverschlossen in einem herme- tisch abgeschlossenen Umfeld gelagert und noch vor der eigentlichen Formation mit gerin- ger Stromstärke (C-Rate) geladen. Während diesem Vorgang, der als Pre-Aging bezeich- net wird, sollen sich bildende Gase entweichen. Bei modernen Zellen wird jedoch ein Elekt- rolyt verwendet, das einen Großteil des entstehenden Gases binden kann und somit das Pre-Aging überflüssig macht.

In einem letzten Schritt wird die Zelle nun final versiegelt. Hierbei wird eine Platte oder Pfropfen auf das Befüllungsventil geschweißt [11, S. 75].

Zylindrische Zelle

Der Herstellungsprozess einer zylindrischen Zelle ähnelt dem der prismatischen Zelle. Bei zylindrischen Zellen ist ein Vereinzeln der Elektroden nicht notwendig.

In einem ersten Schritt werden die Kontaktfahnen mittels Ultraschallschweißen an den un- beschichteten Elektrodenbahnenden geschweißt. Dies erfordert eine intermittierende Elekt- rodenbeschichtung oder das Entfernen des Aktivmaterials im Rahmen einer chemischen Nachbehandlung.

Im nächsten Schritt erfolgt die Wicklung von Anode, Separator, und Kathode um einen Runddorn. Nach der Wicklung wird der Jelly-Roll analog zur prismatischen Wicklung mit einem Klebestreifen fixiert [26, S. 187].

Vor dem Einführen in das Gehäuse wird in das Zentrum des Wickels ein kleines Röhrchen eingefügt. Dies verleiht der Spule zum einen Stabilität, zum anderen kann durch dieses das sich bildende Gas zum Überdruckventil gelangen und dort entweichen. Zusätzlich wird vor dem Einführen an der unteren Stirnfläche des Rolls eine Isolationsscheibe angepresst, das den Wickel vom Gehäuse isoliert [26, S. 187].

Nach dem Einführen des Wickels wird eine Schweißelektrode durch die Röhre geführt, um die Anodenkontaktfahne mit dem Gehäuseboden zu verschweißen. An der oberen Stirn- seite wird eine weitere Isolationsscheibe montiert. Zur Vorbereitung des Zellverschlusses wird der obere Gehäuserand mit einem Falz versehen. Der Terminal wird mit der Katho- denkontakfahne verschweißt, allerdings wird die Zelle noch nicht verschlossen [26, S. 187].

Analog zur prismatischen Zellfertigung wird die zylindrische Zelle zunächst evakuiert und in mehreren Zyklen mit Elektrolyt befüllt. Nach dem Befüllen wird die Verschlusskappe auf das Zellgehäuse gepresst und mittels Bördelung verschlossen. Bevor die Zelle zur Forma- tion gelangt, wird diese noch auf Dichtigkeit überprüft [11, S. 77]. Bei stark gasbildenden Zellen kann analog zu prismatischen Zellen die noch unverschlossene Zelle in isolierter Umgebung dem Pre-Aging unterzogen werden.

2.4.1.3 Zellfinalisierung

Die Zellfinalisierung stellt den letzten Hauptprozess auf Zellebene und wird in Abbildung 2.11 illustriert.

Abbildung 2.11: nicht Teil der Veröffentlichung

Wichtigste Funktion dieses Hauptprozesses ist die Zellaktivierung, das erstmalige Auslösen der elektrochemischen Reaktionen in der Zelle [11, S. 78]. Die Zellfinalisierung unterschei- det sich nur geringfügig bezüglich des gewählten Zelltyps. Die größten zelltypspezifischen Abweichungen sind die lediglich bei der Herstellung von Pouchzellen anfallenden Prozess- schritte Entgasen und finaler Zellverschluss.

Die Formation bezeichnet die ersten Lade- und Entladevorgänge der Zelle. Während dieser Erstladungen bildet sich eine schützende Schicht um die Graphitanode, das sogenannte Solid Electrolyte Interface (SEI), das die Anode vor zu starker Zersetzung durch den Elekt- rolyten schützt [26, S. 193]. Innerhalb dieser Ladezyklen wird die C-Rate kontinuierlich ge- steigert [13, S. 312]. Die Dauer des Formationsprozesses kann bis zu 48 Stunden betragen [22, S. 230]. Prozesskritisch für die Formation ist das definierte Zusammenspiel von Tem- peraturbedingungen, der Anzahl an Ladezyklen, sowie der während des Ladens gewählten Stromstärke [13, S. 312, 29]. Ebenfalls kostenseitig relevant ist die Energierückspeisung während der Entladezyklen [29].

Im Anschluss an die Formation müssen Pouchzellen entgast werden, da es während der Formation zur Gasbildung kommen kann. Dieser Prozessschritt betrifft nur diesen Zelltyp, da bei zylindrischen und prismatischen Zellen die Gasbildung entweder unkritisch ist oder, im Falle stark gasbildender Zellen, ein Pre-Aging durchgeführt wird. Bei Pouchzellen sam- melt sich bildendes Gas während der Formierung im dafür vorgesehenen Gas Bag. Dieser wird nach abgeschlossener Formation angestochen, und das entweichende Gas abge- saugt. Dies geschieht in der Regel unter Vakuum [29]. In manchen Fällen wird das Gas zusätzlich mechanisch aus dem Zellbereich in die Gastasche gepresst [32, S. 25].

Nach dem Entgasen wird die Pouchzelle final verschlossen. Hierbei wird die Zelle durch Siegeln zwischen Gastasche und Zelle verschlossen. Dies geschieht ebenfalls unter Va- kuum [11, S. 78]. Im Anschluss wird die Gastasche von der Batteriezelle getrennt und ent- sorgt. Abschließendes wird durch Falten der Siegelränder eine Reduzierung der Außenab- maße der Zelle erreicht [29].

Der letzte Prozess der Zellfinalisierung umfasst das sogenannte Aging und betrifft wieder alle Zelldesigns. Bei diesem Prozess werden die Zellen für ca. 15–30 Tage in einem tem- perierten Raum gelagert. In regelmäßigen Zeitabständen wird der Ladezustand der Zelle kontrolliert. Dieser aufwändige Prozess ist erforderlich, da sich die langfristigen Leistungs- eigenschaften einer Zelle erst nach gewisser Zeit zuverlässig feststellen lassen [11, S. 80]. Vor der Verpackung wird die Zelle final überprüft und mit einem Barcode für eine genaue Nachverfolgbarkeit versehen [29].

2.4.1.4 Assemblierung der Module und des Batteriepacks

Nach erfolgter Zellfertigung werden die Einzelzellen zunächst zu Modulen und im Anschluss zu Batteriepacks assembliert (Abbildung 2.12).

Abbildung 2.12: nicht Teil der Veröffentlichung

Zunächst werden die Zellen einer Inspektion unterzogen. Dabei werden sie anhand ihrer elektrochemischen Eigenschaften mithilfe geeigneter Systeme sortiert [25]. Dies Vorsortie- rung ist notwendig, da die in einem Modul verbauten Zellen ähnliche Charakteristika auf- weisen sollten und signifikante Zellunterschiede eine negative Auswirkung auf das gesamte Modulverhalten haben könnten [33, S. 244].

Im Anschluss erfolgt die Vormontage der Module. Hierbei werden die Zellen an die für sie im Modul vorgesehenen Plätze gebracht. Prozessseitig ist dabei auf eine automatisierte, schnelle und punktgenaue Platzierung zu achten [11, S. 81]. Bei Rund- und Pouchzellen erfolgt häufig vor der Modulassemblierung das Aggregieren einzelner Zellen zu sogenann- ten Units. Diese geschieht aufgrund der besseren Handhabbarkeit der Units im Vergleich zu den forminstabilen Pouchzellen und den leicht abgleitenden zylindrischen Zellen (Abbil- dung 2.13). Für prismatische Zellen entfällt dieser Schritt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.13: Zellhaltestrukturen auf Unit-Level [25]

Grundsätzlich können die Zellen / Units alternativ mit der roll-and-eject und der pick-and- place Bestückung in die Module eingebracht werden. Bei der roll-and-eject Methode wird der einzubringende Gegenstand über ein Förderband bis zu einem Stapelbehälter oder ei- ner höhenverstellbaren Plattform transportiert, wo er ausgerichtet wird. Im Falle des Sta- pelbehälters wird der Gegenstand mithilfe der Schwerkraft ausgerichtet, im Falle der hö- henverstellbaren Plattform durch das leichte Absenken der Plattform nach jedem Stapel- vorgang (Abbildung 2.14).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.14: Roll-and-eject Bestückung [25]

Die roll-and-eject Bestückung zeichnet sich durch günstige Investitionskosten und schnelle Prozesszeiten aus. Aufgrund ihrer Robustheit und Formstabilität eignen sich insbesondere prismatische Zellen für diese Methode. Bei der pick-and-place Bestückung werden Greifro- boter verwendet, die einen Gegenstand zunächst anheben und an definierten Stellen ab- setzen. Hierbei können die vier Technologien SCARA-Roboter, Gelenkarmroboter, Portal- roboter und Parallelkinematikmaschine zum Einsatz kommen. Grundsätzlich ist die pick- and-place Bestückung teurer und langsamer als die roll-and-eject Methode. Als positiv er- weist sich die punktgenaue und schonende Bestückung durch pick-and-place Roboter [25, 37].

Im Anschluss an die Vormontage erfolgt die Kontaktierung der Zellableiter. Hierbei werden die Zellkontakte per Ultraschall-, Widerstands- oder Laserschweißen stoffschlüssig verbun- den. Kraftschlüssige Verbindungen mit der Stromleiterschiene sind ebenfalls möglich [33, S. 244]. Tabelle 2.1 stellt die Vor- und Nachteile der einzelnen Fügetechnologien vor.

Tabelle 2.1: Alternativen beim Kontaktieren der Zellableiter [38]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Anschluss an die Zellkontaktierung erfolgt ein Spannungstest, der die Kontaktierungen auf volle Funktionalität überprüft. Nach dem Anbringen von Sensoren und Kühlplatten wird das Modulgehäuse verschraubt und die Modulassemblierung ist abgeschlossen [39].

Die Batteriepackmontage stellt den letzten Schritt zur einbaufertigen Traktionsbatterie dar. Dabei werden zunächst die Module und in die vorbereitete Batteriepackwanne eingesetzt. Im Anschluss erfolgt die Verschraubung der Module. An dieser Stelle ist von stoffschlüssi- gen Verfahren aufgrund der schlechten Demontagefähigkeit abzuraten [38]. Es folgt die Montage des Batterie Management Systems (BMS), welches Kühl- und Hochvoltsystem im Batteriepack steuert. Das Batteriepack wird anschließend auf einen gleichmäßigen Lade- zustand gebracht und die Software des BMS aufgespielt. Es erfolgt die Montage des De- ckels und nach bestandenem Dichtheitstest ist die Herstellung abgeschlossen [39].

2.4.2 Die Zukunft der Zellfertigung

Die Lithium-Ionen-Zellfertigung hat heute bereits einen beachtlichen Automatisierungsgrad erreicht. Dies betrifft insbesondere die in sehr großen Stückzahlen gefertigte Rundzelle vom Typ 18650. In den kommenden Jahren ist in der Produktion jedoch mit weiteren erheblichen Produktivitätszuwächsen zu rechnen, die die Kosten der Zellfertigung kontinuierlich redu- zieren können. Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) hat aus die- sem Grund die Roadmap „Batterie-Produktionsmittel 2030“ entwickelt, um erwartete Ent- wicklungen in der Zellfertigung zu identifizieren und quantifizieren [31]. Hierbei ist anzumer- ken, dass der Fokus der Roadmap auf großformatigen Lithium-Ionen-Batterien liegt. Die in der Roadmap vorgestellten technologischen Entwicklungen werden als „Red Brick Walls“ (RBW) bezeichnet und werden im Folgenden vorgestellt.

RBW 1: Mischen – kontinuierliche Prozessführung

Der VDMA erwartet, dass bis zum Jahr 2030 ein kontinuierlicher Mischprozess bei der Her- stellung des Slurrys erreicht werden kann. Aktuell erfolgt der Mischvorgang in den meisten Fällen batchweise. Für das Erreichen des Ziels wird aus Sicht des VDMA eine Anpassung des Mischungsverhältnisses an eine kontinuierliche Prozessführung notwendig sein.

RBW 2: Beschichten – Steigerung der Geschwindigkeit und Breite

Für das Jahr 2030 schätzt der VDMA, dass Beschichtungsgeschwindigkeiten von 100 m / min bei einer Beschichtungsbreite von 2 m möglich sind. Aktuell werden Beschichtungs- geschwindigkeiten von 30 m / min bei 60 cm Beschichtungsbreite erreicht. Dabei ist es prozesskritisch bei erhöhter Geschwindigkeit und Beschichtungsbreite eine gleichbleibend hohe Qualität und homogene Beschichtungsdicke zu gewährleisten.

RBW 3: Beschichten – doppelseitig und simultan

Der VDMA schätzt, dass bis zum Jahr 2020 das doppelseitige und simultane Beschichten der Elektroden Marktreife erreicht hat. Hierfür ist eine alternative Folienführung zu entwi- ckeln, die das Verlaufen des Slurrys zu verhindern vermag. Ebenfalls müssen innovative Auftragsysteme eingeführt werden, welche für das doppelseitige Beschichten ausgelegt sind und unabhängig vom Einfluss der Schwerkraft operieren können. Bezüglich der Trock- nungstechnologie müssen berührungsfreie Trocknungsanlagen weiter verbessert werden.

RBW 4: Vereinzeln – Verunreinigungen im Prozessschritt

Bis zum Jahr 2020 sollen qualitätsschädigende Partikelkontaminationen der Elektroden während des Vereinzelungsprozess vermieden werden. Kurzfristig soll durch geeignete Qualitätssicherungssystem (z.B. Absauger) eine geringe Verunreinigung gewährleistet wer- den. Langfristig soll der Vereinzelungsprozess so weiterentwickelt werden, dass keine Kon- taminationen durch die Vereinzelung auftreten können.

RBW 5: Stapeln – Steigerung der Geschwindigkeit

Der Einzelblattstapelprozess stellt bei Pouchzellen aktuell laut VDMA den Engpass der ge- samten Zellfertigung dar. Ziel ist es daher mittels fortschrittlicher Greiftechnologie (z.B. Va- kuumgreifer) den Stapelprozess zu beschleunigen. Ebenfalls soll das noch junge Z-Falten weiter verbessert werden, sodass bis zum Jahr 2020 der Stapelprozess signifikant be- schleunigt wird und Stapelgeschwindigkeiten deutlich unter einer Sekunde erreicht werden können.

RBW 6: Zellassemblierung – Tiefziehen größer 11mm

Die aus Verbundmaterial bestehende Verpackung moderner Pouchzellen lässt sich zum Stand der Technik lediglich auf eine Tiefe von 5 bis 6 mm ziehen und wirkt sich somit be- schränkend auf die Zellgeometrien aus. Der VDMA rechnet mit einer Weiterentwicklung des Tiefziehprozesses bis zum Jahr 2020 und erreichbaren Tiefen von über 11 mm.

RBW 7: Zellassemblierung – Versiegeln von Folienzellen

Der Versiegelungsprozess bei Pouchzellen ist insbesondere im Bereich der Kontaktfahnen prozesskritisch (2.4.1.2). Bis zum Jahr 2020 soll die Weiterentwicklung des Siegelverfah- rens und die Verwendung innovativer Klebstoffe eine hundertprozentige Dichtigkeit garan- tieren, sodass auch Abdichtpasten nicht mehr benötigt werden.

RBW 8: Befüllen – Steigerung der Geschwindigkeit

Bis zum Jahr 2030 soll die Elektrolytbefüllung großformatiger Zellen von aktuell 30 Sekun- den auf unter 5 Sekunden je Zelle beschleunigt werden. Hierbei ist laut VDMA insbesondere die Vermeidung der Schaumbildung der wichtigste Hebel zur Steigerung der Prozessge- schwindigkeit. Diese soll durch neue Einfülltechnologien und innovative Zelldesigns redu- ziert werden. Auch können neue schaumbildungshemmende Additive zum Einsatz kom- men. Langfristig könnte durch die Verbreitung von Zellen ohne flüssigen Elektrolyt, soge- nannte Solid-State-Zellen, die Befüllungsproblematik sogar komplett obsolet werden.

RBW 9: Formation – sicherer und schneller Prozess

Die Formation ist heute ein langwieriger und somit kostenintensiver Fertigungsschritt. Der VDMA schätzt, dass bis zum Jahr 2030 der Zeitbedarf von derzeit ca. 24 Stunden auf unter 2 Stunden reduziert werden kann. Hierbei besteht sowohl für den logistischen Prozess (ins- besondere Automatisierung des Zellanschlusses) als auch für den elektrochemischen Pro- zess (optimale Temperatur, Stromstärke, Anzahl Ladezyklen) hohes Verbesserungspoten- tial.

RBW 10: Langzeitprognose – Aussagen über Lebensdauer

Der VDMA schätzt, dass sich bis zum Jahr 2030 neue Prüfverfahren etablieren werden, die sichere Schätzungen zur Zelllebensdauer ermöglichen. Aktuelle Prüfungsverfahren sind zeitintensiv und zerstörend. In Zukunft sollen diese Tests zerstörungsfrei ablaufen. Dafür ist jedoch noch die genauere Erforschung der relevanten Alterungsparameter einer Zelle notwendig.

RBW 11: Packmontage – Kunststoff Packgehäuse

Aktuelle Gehäuse auf Modul- und Packebene sind metallisch. Die aufwendigen Schweiß- konstruktionen dieser Packs werden vom VDMA als großer Kostenfaktor betrachtet. Daher schätzt der VDMA, dass sich bis zum Jahr 2020 Gehäuse aus Kunststoff im Markt etablie- ren können. Hierbei ist wichtig, dass Kunststoffgehäuse alle Anforderungen an die Sicher- heit einhalten können.

RBW 12: Übergreifend – Rein- und Trockenräume

Die Zellassemblierung erfolgt in einem kontrollierten Rein- und Trockenraumumfeld. Das Betreiben dieser Räume ist aktuell mit hohen Betriebskosten verbunden. Der VDMA schätzt daher, dass bis zum Jahr 2020 signifikante Kostenreduzierungen durch den Einsatz soge- nannter Mini-Environments erzielt werden können. Während es sich bei klassischen Rein- und Trockenräumen um abgetrennte Fertigungsbereiche handelt, sind Mini-Environments kleine, die Fertigungsmaschine einschließende Reinbereiche.

RBW 13: Übergreifend – Recycling

Für das Jahr 2020 wer die ersten größeren Mengen an End-of-Life-Batterien aus der Elekt- romobilität vorhergesagt. Daher soll bis zum Jahr 2030 ein vollständiges Recyclingkonzept erarbeitet werden, das einen Großteil der eingesetzten Materialien der Zellherstellung wie- der zuführen kann. Dies ist insbesondere von Bedeutung aufgrund der grundsätzlichen Ressourcenknappheit einiger Schlüsselrohstoffe (Abschnitt 2.2).

RBW 14: Übergreifend – Standardisierung

Die Produktion von Lithium-Ionen-Zellen zeichnet sich aktuell durch die Vielzahl der ver- schiedenen Produktionstechnologien sowie eine fragmentierte Wertschöpfungskette aus. Dies führt zu zahlreichen Schnittstellen innerhalb der Produktionslinie. Der VDMA rechnet mit einer verbesserten Standardisierung dieser Schnittstellen bis zum Jahr 2030.

RBW 15: Übergreifend – relevante Parameter für Prozesskontrolle

Aktuell zeichnet sich die Zellherstellung laut VDMA durch ein noch unzureichendes Ver- ständnis der Auswirkungen eines Fertigungsprozesses auf die Gesamtqualität einer Zelle aus. Aus diesem Grund rechnet der VDMA bis zum Jahr 2030 mit einem sich fortlaufend entwickelnden Lernprozess, welcher zu einer verbesserten Prozesskontrolle und somit Zell- qualität führen wird.

2.5 Aktuelle Selbstkosten- und Investitionskostenstruktur

Die Selbstkosten für Lithium-Ionen Traktionsbatterien sind in den vergangenen Jahren stark gesunken. Betrugen die Packkosten im Jahr 2007 noch ca. 1000 $ pro Kilowattstunde (kWh), so wurden diese im Jahr 2015 auf 410 $ / kWh geschätzt. Für marktführende Her- steller von Traktionsbatterien ging man im Jahr 2015 bereits von Batteriepackkosten im Bereich von 300 $ / kWh aus [40]. Abbildung 2.15 zeigt die geschätzten Selbstkosten im Jahr 2015. Hierbei wird die Kostenstruktur einer 36 Amperestunden (Ah) Pouchzelle dar- gestellt. Die Kostenstruktur des daraus resultierenden Batteriepacks ist ebenfalls in Abbil- dung 2.15 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.15: Aktuelle Kostenstruktur einer Lithium-Ionen-Zelle Batteriepack [24]

In Tabelle 2.2 wird der geschätzte Investitionsbedarf für verschieden dimensionierte Ferti- gungswerke angegeben.

Tabelle 2.2: Investitionsbedarf eines LIB-Fertigungswerks

Tiefgestellte Zahlen stellen obere und untere Grenze der jeweiligen Quelle dar

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dabei ist auf die zum Teil erheblichen Größenunterschiede (gemessen an der jährlichen Gesamtenergiemenge) der Fertigungswerke hinzuweisen. In allen Fällen entsprechen die angegeben Kosten nur dem Investment in Anlagen und Maschinen. Kosten für Land und Bebauung werden nicht berücksichtigt. Die Kosten pro kWh auf Zellebene entsprechen da- bei einer Abschreibung des Gesamtinvestitionsbedarfs auf Zellebene (lineare Abschrei- bung über fünf Jahre).

3 Überblick der bestehenden Kostenmodelle

In der wissenschaftlichen Fachliteratur existieren bereits Modelle, die sich mit der Kosten- zusammensetzung und -entwicklung von LIB-Traktionsbatterien befassen. In diesem Kapi- tel werden diese Kostenmodelle vorgestellt. Dies erfolgt zum einen, um einen umfassenden Überblick über bereits erfolgte Forschung im Bereich Kostenmodellierung von Traktions- batterien zu geben. Zum anderen stellt der Stand der Forschung den maßgeblichen Aus- gangspunkt für das neue Modell dar, da dieses idealerweise auf Erkenntnisse bestehender Kostenmodelle aufbauen soll. Zum Ende des Kapitels werden auf Basis der vorgestellten Modelle geeignete Kandidaten identifiziert, welche als Grundlage für das neue Modell die- nen können.

Die existierenden Kostenmodelle lassen sich in zwei Gruppen klassifizieren. Die erste Gruppe umfasst voll funktionsfähige „Grundmodelle , welche bereits einen großen Funkti- onsumfang bieten. Diese Modelle sind in der Regel in Microsoft Excel modelliert und zum Teil öffentlich zugänglich. Die zweite Gruppe umfasst „Erweiterte Kostenmodelle“. Diese Kostenmodelle bauen inhaltlich und funktional auf dem öffentlich zugänglichen BatPac auf, wandeln dieses jedoch so ab, um spezielle forschungsrelevante Fragestellungen zu beant- worten. Die konkreten Modelle sind dabei öffentlich nicht verfügbar, lediglich die resultie- renden Studienergebnisse. Im Folgenden werden nun die existierenden Kostenmodelle entsprechend ihres Typs klassifiziert und vorgestellt.

3.1 Klassifizierung der Kostenmodelle - Grundmodelle

Gaines und Cuenca [44] veröffentlichten im Jahr 2000 eines der ersten Kostenmodelle mit dem Fokus Lithium-Ionen-Traktionsbatterien. Dieses Kostenmodell beschreibt aktuelle und prognostizierte Kostenstruktur von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien durch verschiedene Zukunftsszenarien. Das Kostenmodell kann jedoch nur für vormodellierte Zellen mit defi- nierten Maßen und Kapazitäten Preise sowie Preisprognosen treffen. Der Fokus des Mo- dells liegt somit primär auf dem Einfluss der Materialkosten auf das Endprodukt Traktions- batterie. Der Einfluss des Zelltyps (zylindrisch, prismatisch, pouch) und der Zellgröße (groß- formatig, kleinformatig) kann mit diesem Modell nicht getestet werden.

Im Modell nach Amirault et al. [45] werden die Kosten einer Traktionsbatterie über das Ge- wicht der Batterie und die dabei gewählte Zellchemie approximiert. Hintergrund dieser Überlegung ist, dass Amirault et al. den Anteil aller Materialkosten an den Selbstkosten der Traktionsbatterie auf ca. 75 % schätzen. Produktionskosten sind aufgrund geschützter Pro- duktionsprozesse von den Autoren schwer abzuschätzen und werden somit nicht im Detail modelliert. Aufgrund des gewählten Ansatzes ist der Einfluss gewählter Zelldesigns auf die Produktionskosten mithilfe des Modells nach Amirault et al. ebenfalls nicht zu bestimmen.

Das Modell nach Petri et al. [46] berechnet für die modellierte Zelle ein limitiertes Aktivvo- lumen (engl. Limited Active Volume). Dieses Aktivvolumen ist maßgeblich für Kapazität und Energie der modellierten Zelle und berechnet sich aus dem Zellvolumen abzüglich passiver Strukturen. Das Aktivvolumen der Zelle wird im Modell mit einem abstrakt modellierten Jelly Roll gefüllt (Electrode-Separator-Layer Package), woraus sich bei wählbarer Zellchemie die Massen und somit der Preis der verwendeten Aktivmaterialien berechnen lässt. Das Modell ist in der Lage, viele Zellchemiealternativen zu modellieren. Allerdings liegt auch bei diesem Kostenmodell der Fokus primär auf resultierenden Materialkosten und vernachlässigt Pro- duktionskosten in Abhängigkeit des gewählten Zelldesigns.

Das TIAX Modell [47] ist ein von der TIAX LLC veröffentlichtes Lithium-Ionen-Kostenmodell mit hohem Funktionsumfang. Der Fokus des Modells liegt auf der Ermittlung der Selbstkos- ten von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien mit einer Energie von 5,5 - kWh. Dabei sind die Batteriepacks auf Basis von zylindrischen Zellen des Typs 18650 für PHEV mit einer Reich- weite von 20 Meilen konzipiert. Zwar beschränkt das Modell den Nutzer auf die Verwendung von Zellen des Typs 18650, dennoch erlaubt das Kostenmodell dem Nutzer eine Vielzahl von Einstellungsmöglichkeiten. Dies umfasst unter anderem die Wahl alternativer Zellche- mien oder variierender Elektrodenbeschichtungsdicken. Kosten der Produktion werden durch den detailliert geplanten Zellproduktionsprozess nachvollziehbar modelliert. Dabei geht das im Modell dargestellte Produktionswerk von einer jährlichen Produktionsmenge von 250,000 Batteriepacks aus. Das Modell wird in zeitlichen Abständen aktualisiert um technologische Verbesserungen der Produktion im Modell zu berücksichtigen. Bezüglich des modellierten Anlagen- und Maschinenparks werden auch Faktoren wie aktuelle Wech- selkurse berücksichtigt, um Anschaffungskosten ausländischen Equipments adäquat dar- zustellen. Ein weiterer inhaltlicher Schwerpunkt des Modells ist die Berechnung des zu er- wartenden Kapazitätsschwunds der Zellen über die Zeit. Das Modell liefert keinerlei Prog- nosen zukünftiger Preisentwicklungen, sondern modelliert die Kosten einer hypothetischen aktuellen Produktion.

[...]

Ende der Leseprobe aus 112 Seiten

Details

Titel
Ein Kostenmodell für Batteriepacks von Elektrofahrzeugen. Sind Kosteneinsparungen bei der Lithium-Ionen-Technologie möglich?
Hochschule
Technische Universität München
Note
1,0
Autor
Jahr
2016
Seiten
112
Katalognummer
V500504
ISBN (eBook)
9783346035127
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Elektromobilität, BEV, Kostenmodell Batterie, Kosten Batterie Elektrofahrzeug
Arbeit zitieren
Heinrich Stilling (Autor), 2016, Ein Kostenmodell für Batteriepacks von Elektrofahrzeugen. Sind Kosteneinsparungen bei der Lithium-Ionen-Technologie möglich?, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/500504

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