Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5879
Main Title: Beitrag zur Produktivitätssteigerung in der Massenherstellung von Lithium-Ionen-Batteriezellen
Translated Title: Increasing productivity in lithium ion battery cell manufacturing
Author(s): Bach, Gordon
Advisor(s): Seliger, Günther
Referee(s): Seliger, Günther
Reinhart, Gunther
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Die industrielle Herstellung von Lithium-Ionen-Batterie (LIB)-Zellen für den Einsatz in teilelektrisch und vollelektrisch betriebenen Fahrzeugen ist ein Wachstumsmarkt mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von bis zu 16,5%. Bei der Erhöhung der Produktionsstückzahlen konkurrieren LIB-Zellen hinsichtlich niedriger Zellpreise sowie Leistungsmerkmalen wie Energiedichte, Zellsicherheit und Zyklenfestigkeit. Dieser Wettbewerb findet im Bereich der automobilen Energiespeicher für elektrische Fahrzeuge gegenwärtig hauptsächlich zwischen den beiden etablierten Zellbauformen Prismatische Zelle und Pouchzelle statt. Durch eine analytische Untersuchung des Stands der Technik wird gezeigt, dass die Pouchzellenbauform hinsichtlich der technischen Leistungs- sowie wirtschaftlichen Wettbewerbsfähigkeit inhärente Vorteile gegenüber der prismatischen Zellbauform hat jedoch gleichzeitig insbesondere durch die durchsatzschwache Herstellung des Elektroden-Separator-Verbunds (Zellverbund) erhebliche Nachteile in der Montage aufweist. Beim Vergleich industrieller Zellverbundherstellungsverfahren wird erkennbar, dass der maximale Verfahrensdurchsatz zur Herstellung z-gefalteter Zellverbünde für Pouchzellen mit 1ppm (parts per minute) den maximalen Durchsätzen zur Herstellung gewickelter Zellverbünde für Prismatische Zellen mit 18,5ppm um ein Vielfaches unterlegen ist und in seiner Wechselwirkung zum Anlagenbedarf wettbewerbsmindernde Investitionsmehraufwendungen verursacht. Durch die systematische Untersuchung bestehender Verbundherstellungsverfahren wird gezeigt, dass die sequentiell ablaufenden Pick-and-Place-Operationen zur Realisierung der Handhabungs- und Fügeschritte beim Z-Falten ursächlich für die Durchsatzdefizite gegenüber den kontinuierlichen Verfahrensabläufen beim Wickel sind und darüber hinaus eine inhärente Durchsatzlimitierung bewirken, die selbst beim Erreichen optimaler Verfahrensbedingungen eine Durchsatzsteigerung um maximal 20-30% gegenüber dem gegenwärtigen Stand der Technik zulässt. Mit der Zielstellung eines innovativen Verfahrenskonzepts zur kontinuierlichen Herstellung von zgefalteten Zellverbünden wird ein Lösungsansatz formuliert, der die technologischen und wettbewerblichen Durchsatzdefizite im Z-Falten eliminiert und dadurch einen Beitrag zur stückzahlenintensiven und kostenreduzieren Herstellung von Pouchzellen leistet. Im Ergebnis entsteht ein analytisch ausgereiftes Verfahrenskonzept, das durch die konsequente Anwendung neuartiger, kontinuierlicher Handhabungs- und Fügeabläufe ein Durchsatzsteigerungspotential auf bis zu 48ppm besitzt. Das Verfahrenskonzept bildet die Grundlage für eine prototypische Ausgestaltung sowie anlagentechnische Umsetzung, die Chancen zur Erschließung neuer Geschäftsfelder in dem von asiatischen Herstellern dominierten Maschinen- und Anlagenbau bietet.
The industrial production of Lithium-Ion-Battery (LIB) cells for hybrid or full electrical vehicles is a growing market with a compound annual growth rate up to 16.5%. By increasing the production quantities to serve a future LIB mass market these cells competing for low cell prices as well as simultaneously with their key performance features like energy density, safety and cycle lifetime. This competition as an energy storage for the automobile industry majorly takes place between the established cell designs Prismatic and Pouch. An analytic study of the state of the art proved inherent technical and commercial advantages of the Pouch cell design in comparison to the Prismatic cell design. However, the efficiency of industrial production differs significantly, as the productivity in assembling the electrode-separator-assemblies, e.g. cell stack for Pouch or cell jelly roll for Prismatic, varies depending on its design. A detail comparison of industrial established cell assembly processes and their productivities reveals, that assembling a z-folded Pouch cell stack with a maximum productivity of 1 parts per minute (ppm) is inferior to assembling a wound Prismatic cell jelly roll with a maximum productivity of 18,5ppm. Low assembly productivities cause high manufacturing costs through the numbering of production equipment. Considering the interdependencies between productivity and demands for production equipment the lower productivity in the electrode-separator-assembly for Pouch cells causes significant higher equipment investments and therefor competition disadvanteges. The systemaitic analysis of currently established processes for electrode-separator-assembly verifies, that productivity deficiencies in z-folding mainly originate from Pick-and-Place-Operations for sequentially handling discrete electrodes and folding separator material. In contrast, Prismatic cell jelly roll assembly processes utilize continuous winding operations, which allow for higher productivities. Even more the analysis shows, that Pick-and-Place-Operations of z-folding processes are characterized through an inherent productivity limitation. Technical improvements of handling and joining operations in assembling the z-folded Pouch cell stack will most likely climax subsequent to a future productivity increase of about 20-30% compared to the current state of the art, which can´t bridge the productivity gap to competitive winding operations. The objective target is the development of an innovative process concept using continuous cell stacking operations for z-folded electrode-separator-assemblies as a key solution to eliminate the technological and commercial disadvantages caused by productivity deficiencies, enabling an increasing production volume and thus reducing manufacturing costs for Pouch cells. The outcome is an analytical mature process concept, that has the potential to increase productivity up to 48ppm through an enduring utilization of innovative, continuous handling and joining operations for z-folding. The recent process concept is the basis for a prototypical equipment design and realization, which provides opportunities to establish new market shares in the production equipment market dominated by Asian equipment suppliers.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6323
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5879
Exam Date: 21-Oct-2016
Issue Date: 2017
Date Available: 3-May-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::680 Industrielle Fertigung für einzelne Verwendungszwecke::680 Industrielle Fertigung für einzelne Verwendungszwecke
Subject(s): lithium ion battery cell
increasing productivity
mass production
battery cell
battery electrical vehicle
electro mobility
Lithium-Ionen-Batterie
Produktivitätssteigerung
Serienfertigung
Elektroauto
Batteriezellen
Elektromobilität
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