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Technische Potentialanalyse von Batteriesystemen für Elektrofahrzeuge

©2016 Masterarbeit 88 Seiten

Zusammenfassung

Um die Erdölabhängigkeit und den Schadstoffausstoß zu senken, strebt die Bundesregierung an bis zum Jahr 2020 die Anzahl an Elektroautos stark zu steigern, aber mindestens 1 Millionen zugelassene Elektrofahrzeugen in Deutschland zu erreichen. Aktuell ist aber die Anzahl viel geringer als prognostiziert, was unter anderem an der im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren geringeren Reichweite und höheren Anschaffungskosten liegt.
Im Fokus aktueller Forschungs- und Entwicklungsvorhaben steht dabei der Energiespeicher des Elektrofahrzeuges, der maßgeblich für die Kostendifferenz zu Fahrzeugen mit konventionellen Antrieben verantwortlich ist und mit seiner Kapazität die Reichweite maßgeblich bestimmt. Ziel ist es, durch verbesserte und neue Akkumaterialien die Lebensdauer der Zellen zu erhöhen, die Leistungsfähigkeit zu verbessern, ohne dabei Sicherheit zu gefährden und insgesamt die Kosten der Zellen zu senken.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse und Bewertung von aktuellen und zukünftigen Technologien und Produktion von chemischen Akkuzellen für Elektrofahrzeuge. In Anlehnung an die VDI Richtlinie 2221 werden zur Bewertung die Entwicklungsphasen Planen, Konzipieren und Entwerfen angewendet. In der Planungsphase werden der Stand der Technik aktueller Akkusysteme und zukünftige Akkutechnologien und Produktionstechniken ermittelt. Anhand der durchgeführten Systemanalyse und der ermittelten technischen und wirtschaftlichen Zielwerte für die Akkuzellen, werden in der Konzeptphase die geeignetsten Technologien und Maßnahmen in Nutzwertanalysen bewertet und ausgewertet. In der Entwurfsphase wird in einem Fallbeispiel anhand eines aktuell existierenden Fahrzeuges die möglichen Reichweitensteigerungen der am vielversprechendsten gewählten Akkutechnologien bis zum Jahr 2030 ermittelt.
Das Ziel der Arbeit ist es, einen Ausblick zukünftiger Akkusysteme für Elektrofahrzeuge in der die möglichen Potentiale, Herausforderungen und Grenzen der in Entwicklung befindlichen Akkutechnologien bis zum Jahr 2030 zu geben.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis


4.3
Nutzwertanalyse ... 48
4.3.1
Nutzwertanalyse Optimierte Akkumaterialien ... 48
4.3.2
Nutzwertanalyse neue Generation Akkuzellen... 61
4.3.3
Nutzwertanalyse optimierte Produktionstechnik ... 64
4.4
Analyse steigende Stückzahlen ... 71
4.5
Standardisierung ... 74
4.6
Auswertung ... 75
4.7
Fallbeispiel ... 78
5
Fazit ... 84
6
Literaturverzeichnis ... 85
IV

Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1-1: Statistik CO2 Ausstoß Verkehrsmittel ... 11
Abbildung 2-1: Schematischer Aufbau eines automobilen Elektroantriebs ... 15
Abbildung 2-2: Prinzipieller Aufbau einer Batteriezelle ... 16
Abbildung 2-3: Elektrochemische Spannungsreihe von Metallen ... 17
Abbildung 2-4: Periodensystem mit Materialkombinationen für Akkus ... 18
Abbildung 2-5: Produktionsreihenfolge Akkuzellen ... 20
Abbildung 2-6: Rundzellen ... 22
Abbildung 2-7: Prismatische Zelle ... 23
Abbildung 2-8: Pouch-Zelle ... 24
Abbildung 2-9: Reihenschaltung von mehreren Zellen ... 25
Abbildung 2-10: Parallelschaltung mehrere Reihenschaltungsstränge ... 25
Abbildung 2-11: Modularer Aufbau eines Akkus für Elektromobile... 26
Abbildung 2-12: Herstellungskosten eines Elektrofahrzeuges ... 28
Abbildung 2-13: Ablaufplan mit Auslöser der thermischen Zersetzung einer Lithium-Ionen-
Batterie... 29
Abbildung 2-14: Entstehung der Solid Electrolyte Interphace ... 32
Abbildung 2-15: Test ... 33
Abbildung 2-16: Auftrennung von elektrischen Leitpfaden... 33
Abbildung 2-17: Ragone-Diagramm verschiedener Akkusorten ... 34
Abbildung 3-1: Allgemeines Vorgehen beim Entwickeln und Konstruieren nach VDI 2221 . 36
Abbildung 3-2: Black-Box Darstellung ... 38
Abbildung 3-4: Beispiel Funktionsstruktur Palettier Roboter ... 39
Abbildung 3-5: Hochvoltbatterie e-Golf ... 41
Abbildung 2-18: Kostenzusammensetzung Produktion von Akkus ... 44
Abbildung 2-19: Potenziale für die Kostenreduktionsmaßnahmen von Akkuzellen in der
Produktion [USD/kWh] ... 44
Abbildung 4-1: Black-Box Darstellung Akkuzelle ... 46
Abbildung 4-2: Funktionsstruktur Akkuzelle ... 46
Abbildung 4-3: Nutzwertanalyse verschiedener Kathodenmaterialien ... 52
Abbildung 4-4: Nutzwertanalyse verschiedener Anodenmaterialien ... 54
Abbildung 4-5: Nutzwertanalyse verschiedener Elektrolyte ... 56
Abbildung 4-6: Nutzwertanalyse verschiedener Separatoren ... 60
Abbildung 4-7: Nutzwertanalyse Post-Lithium Akkus ... 63
Abbildung 4-8: Zielkurve Marktentwicklung Elektrofahrzeuge ... 72
Abbildung 4-9: Prognosen zur Entwicklung der Batteriekosten auf Systemebene ... 73
Abbildung 4-10: Übersicht Zellabmessungen nach DIN Spezifikation 9 1252 ... 74
Abbildung 4-11: Verschaltung der Batteriezellen e-Golf ... 78
Abbildung 4-12: Überblick und Vergleich von Reichweiten verschiedener Batterietypen ... 83
V

Abkürzungsverzeichnis
ATZ
Automobiltechnische Zeitschrift
BEV
Battery Electric Vehicle
BoL
Begin of Life
bzw.
beziehungsweise
C/Si
Kohlenstoff/ Silizium Komposite
C/Sn
Kohlenstoff/ Zinn Komposite
ca.
circa
CO2
Kohlenstoffdioxid
EoL
End of Life
EUCAR
European Council for Automotive R&D
EUR
Euro
HEV
Hybrid Electric Vehicle
ISI
Institut für System- und
Innovationsforschung
kalend.
kalendarisch
kg
Kilogramm
Km
Kilometer
kWh
Kilowattstunde
LCO
Cobaltoxid
LFP
Lithium Eisenphosphat
Li
Lithium
LiMO2
Lithium-Übergangsmetalloxid
LM
Lithium-Metall
LMO
Lithium Manganoxid
LTO
Lithiumtitanat
MFL
Metallfluorid
Mio.
Millionen
NCA
Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-
Oxidmaterialien
NMC
Nickel-Mangan-Cobalt
Nr.
Nummer
O2
Sauerstoff
PHEV
Plug-in Hybrid Electric Vehicle
Pkt.
Punkte
S.
Seite
SEI
solid electrolyte interface
VDI
Verein Deutscher Ingenieure
VDMA
Verband Deutscher Maschinen- und
Anlagenbau
Wh
Watt pro Stunde
z.B.
zum Beispiel
VI

Formelverzeichnis
Arabische Zeichen
Formelzeichen
Beschreibung
Einheit
C
Kapazität
Ah
Gesamtkapazität
Ah
E
Energie
kWh
Gesamtenergie
kWh
Eucar-Level
Sicherheitsstufe
-
I
Elektrischer Strom
A
Gesamtstrom
A
Kosten der ersten produzierten Einheit
Kosten der letzten produzierten Einheit
Produktionsmenge zu Beginn
Stück
K
Kosten pro Energieeinheit
/kWh
L
Lernfaktor
%
N
Stückzahl
-
P
Leistung
W
p
Produktionsmenge zum Schluss
Stück
U
Elektrische Spannung
V
Einzelspannung
V
Gesamtspannung
V
Energiedichte
Wh/kg
VII

Tabellenverzeichnis
Tabelle 2-1: Testspezifikation EUCAR ... 30
Tabelle 2-2: Kapazitätsverlust in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur ... 31
Tabelle 2-3: Vergleich von Batteriesystemen ... 35
Tabelle 2-4: Zelleigenschaften Lithium-Ionen Zellen Stand 2015 ... 35
Tabelle 3-1: Ausschnitt einer Checkliste für eine Anforderungsliste ... 37
Tabelle 3-2: Werteskala nach VDI 2225 ... 40
Tabelle 4-1: Anforderungsliste für Akkusysteme für zukünftige Elektroautos ... 42
Tabelle 4-2: Nutzwertanalyse Optimierung Akkuzellenproduktion ... 69
Tabelle 4-3: Bewertung von Batteriesystemen bis 2020 ... 75
Tabelle 4-4: Bewertung von Batteriesystemen bis 2030 ... 76
VIII

Kurzfassung
Um die Erdölabhängigkeit und den Schadstoffausstoß zu senken, strebt die Bundesregierung
bis zum Jahr 2020 die Anzahl an Elektroautos stark zu steigern, aber mindestens 1 Millionen
zugelassene Elektrofahrzeugen in Deutschland zu erreichen. Aktuell ist aber die Anzahl viel
geringer als prognostiziert, was unter anderem an der im Vergleich zu Fahrzeugen mit
Verbrennungsmotoren geringeren Reichweite und höheren Anschaffungskosten liegt.
Im Fokus aktueller Forschungs- und Entwicklungsvorhaben steht dabei der Energiespeicher
des Elektrofahrzeuges, der maßgeblich für die Kostendifferenz zu Fahrzeugen mit
konventionellen Antrieben verantwortlich ist und mit seiner Kapazität die Reichweite
maßgeblich bestimmt. Ziel ist es durch verbesserte und neue Akkumaterialien die
Lebensdauer der Zellen zu erhöhen, die Leistungsfähigkeit zu verbessern ohne dabei
Sicherheit zu gefährden und insgesamt die Kosten der Zellen zu senken.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse und Bewertung von aktuellen und
zukünftigen Technologien und Produktion von chemischen Akkuzellen für Elektrofahrzeuge.
In Anlehnung an die VDI Richtlinie 2221 werden zur Bewertung die Entwicklungsphasen
Planen, Konzipieren und Entwerfen angewendet. In der Planungsphase werden der Stand der
Technik aktueller Akkusysteme und zukünftige Akkutechnologien und Produktionstechniken
ermittelt. Anhand der durchgeführten Systemanalyse und der ermittelten technischen und
wirtschaftlichen Zielwerte für die Akkuzellen, werden in der Konzeptphase die geeignetsten
Technologien und Maßnahmen in Nutzwertanalysen bewertet und ausgewertet. In der
Entwurfsphase wird in einem Fallbeispiel anhand eines aktuell existierenden Fahrzeuges die
möglichen Reichweitensteigerungen der am vielversprechendsten gewählten
Akkutechnologien bis zum Jahr 2030 ermittelt.
Das Ziel der Arbeit ist ein Ausblick zukünftiger Akkusysteme für Elektrofahrzeuge in der die
möglichen Potentiale, Herausforderungen und Grenzen der in Entwicklung befindlichen
Akkutechnologien bis zum Jahr 2030 zu geben.
IX

Abstract
In order to reduce the oil dependency and the exhaust emissions, the federal government
intends to significantly increase the number of electric cars but at least 1 million registered
electric vehicles in Germany until 2020. Currently, however the number is much lower than
expected, which is partly due to the compared to combustion engines, lower coverage and
higher acquisition costs.
The focus of current research and development projects is on the battery of electric vehicles,
which is largely responsible for the difference in prices compared to cars with conventional
drive engines and primarily defined the range of the car with his capacity. The objective is to
increase the life of the cells, to improve the performance without compromising the safety and
to reduce the overall costs of the cells by improved and new battery materials.
The present study intents with analysis and evaluation of current and future technologies and
production of chemical battery cells for electric vehicles. In reference to the VDI guideline
2221 the development phases of planning, conceiving and designing are applied for the
evaluation. During the planning phase the state-of-the-art of current and future battery
technologies and production techniques will be determined. On the basis of the system
analysis and the determined technical and economic target values for the battery cells, the
most appropriate technologies and measures will be assessed and evaluated in utility analyzes
in the concept phase. In the design phase, the possible extension of range is determined in a
case study based on a currently existing vehicle and the most promising selected battery
technologies until 2030.
The aim of this study is to give an outlook in the potentials, challenges and limitations of
future battery systems under development for electric vehicles until 2030.
X

1 Einleitung
Im einleitenden Kapitel soll die Motivation der Themenstellung für diese Masterarbeit
erläutert werden.
1.1 Ausgangssituation
Auf der Klimarahmenkonvention im Jahr 1997, welche nach dem Veranstaltungsort auch
Kyoto-Protokoll benannt wurde, haben sich die Europäische Union, sowie 191 weitere
Staaten darauf geeinigt den CO2 Ausstoß weltweit signifikant zu verringern, damit die
Steigerung der globalen Durchschnittstemperatur durch den Treibhauseffekt um maximal 2°C
begrenzt wird.
1
Wie aus einer von 1992 bis 2010 durchgeführten Statistik der Deutschen Energie Agentur in
Abbildung 1-1 hervorgeht, trägt der motorisierte Straßenverkehr im Vergleich zu anderen
Verkehrsmitteln, wie z.B. Schiffe und Flugzeuge, um den Faktor 4 höheren Beitrag an CO2
Ausstoß pro Jahr bei.
Abbildung 1-1: Statistik CO2 Ausstoß Verkehrsmittel
2
1
Vgl. Weiß, M./ et al. 2015, S. 11f.
2
Quelle: Kalinowska, D./ et al. 2012, S. 44.
11

Ein weiterer wichtiger Grund für die Steigerung des Marktanteils von Elektroautos ist die
Verringerung der Ölabhängigkeit. Denn im Vergleich zu Verbrennungsmotoren mit fossilen
Kraftstoffen wie Benzin und Diesel, wird für das Elektroauto kein endliches Erdöl benötigt.
3
Von Experten werden für das Jahr 2020 als Zeitpunkt für das Ölfördermaximum oder auch
,,Peak Oil" genannt, wodurch dann in den nächsten Jahren der Bedarf das Angebot der
Fördermenge übersteigen wird.
4
Um einerseits die Abhängigkeit von Erdöl, als auch den CO2 Emissionen im Straßenverkehr
zu reduzieren, hat sich die Bundesregierung das Ziel gesetzt die Elektromobilität zu fördern
und geeignete Rahmenbedingungen zu setzen, dass bis zum Jahr 2020 mindestens eine
Millionen Elektrofahrzeuge in Deutschland zugelassen sein werden.
5
3
Vgl. Karle, A. 2015, S. 14.
4
Vgl. Lienkamp, M. 2012, S. 6f.
5
Vgl. Nationale Plattform Elektromobilität. 2012. S. 3f.
12

1.2 Problemstellung
Obwohl Elektroautos gegenüber Benzin- oder Dieselautos ökologische Vorteile hat und die
Bundesregierung die Einführung von Elektroautos fördert bzw. vorantreibt, beträgt die
Anzahl der in Deutschland zugelassenen Autos mit Elektroantrieb bei gerade einmal 18.948
Stück zum Zeitpunkt Januar 2015.
6
Gründe dafür sind die aus Kundensicht durchschnittlich
geringen Reichweiten und die deutlichen Mehrkosten in der Anschaffung gegenüber
Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren.
7
Deshalb werden viele Forschungsprojekte
vorangetrieben, die das Ziel haben die Leistungsfähigkeit des Akkus, bei gleichbleibender
oder höherer Sicherheit, zu steigern und dabei gleichzeitig die Kosten der Akkus zu senken.
6
Quelle: Kraftfahrtbundesamt. 2015
7
Quelle: Karle, A. 2015, S. 82f.
13

1.3 Zielsetzung
Die Zielsetzung der Arbeit ist es durch Analyse und Bewertung aktueller und zukünftiger
Akkutechnologien und Produktionsmethoden einen Ausblick für die Potentiale,
Herausforderungen und der Grenzen der Akkus von Elektrofahrzeuge zu verschaffen.
1.4 Abgrenzung des Themas
Derzeit werden verschiedene Technologien zur Speicherung von elektrischer Energie
erforscht bzw. eingesetzt, wie in Abbildung 1-1 illustriert. Diese lassen sich in die 3
Kategorien mechanisch, elektrochemisch und elektrisch einteilen, wobei im PKW-Sektor
hauptsächlich elektrochemische Speicher eingesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden
ausschließlich Technologien von elektrochemischen Akkumulatoren für den Zeitraum bis
2030 betrachtet.
Abbildung 1-1: Verschiedene Technologien im Bereich der Elektroenergiespeicher
8
8
Eigene Darstellung in Anlehnung an Hannig, F. 2009, S. 13.
14

2 Stand
der
Technik
In diesem Kapitel werden die technischen Grundlagen und Eigenschaften aktueller Akkus
erläutert.
2.1 Aufbau
Elektroauto
Um die Funktion des Akkus innerhalb des Elektroautos besser Einordnung zu können soll an
dieser Stelle der Aufbau eines elektrischen Antriebsstrangs erläutert werden.
In Abbildung 2-1 ist ein schematischer Aufbau eines Antriebsstrangs eines reinen
Elektroautos illustriert. Die notwendige Energieversorgung wird in Elektroautos meist über
chemische Batterien realisiert. Je nachdem wie stark das Fahrpedal vom Fahrer betätigt wird,
wird eine Leistung und Frequenz über die Leistungselektronik dementsprechend angepasst,
wodurch sich eine Drehzahl und Drehmoment am Elektromotor ergibt. Die Drehbewegung
des Elektromotors wird über das Differenzialgetriebe auf die beiden Antriebsräder
weitergeleitet, wodurch sich das Fahrzeug bewegt.
9
Abbildung 2-1: Schematischer Aufbau eines automobilen Elektroantriebs
10
9
Vgl. Tschöke, H.(Hrsg)/ Kasper R./Schünemann M. 2015, S. 37f.
10
in Anlehnung an Tschöke, H.(Hrsg)/ Kasper R./ Schünemann M. 2015, S. 37.
Batterie
Leistungselektronik
Elektromotor
Differentialgetriebe
15

2.2 Bestandteile
Akku
In diesem Abschnitt soll der grundsätzliche Aufbau und Funktion einer wiederaufladbaren
Batterie erläutert werden.
Wie in Abbildung 2-2 zu erkennen ist, besteht eine Batterie aus jeweils zwei Elektroden aus
jeweils unterschiedlichen Materialen, die sich innerhalb eines Elektrolyten befinden.
Zwischen den beiden Elektroden befindet sich ein Separator, welches die beiden Elektroden
sowohl räumlich als auch elektrisch trennt.
11
Abbildung 2-2: Prinzipieller Aufbau einer Batteriezelle
12
Während des Entladevorgang, bzw. der Oxidation, werden an der Anode Elektronen
freigesetzt. Gleichzeitig werden an der Kathode, durch Reduktion, Elektroden aufgenommen.
Die Elektronen gelangen über die Verbraucherleitung von der Anode zur Kathode und
betreiben dabei die angeschlossenen elektrischen Geräte. Parallel dazu fließen die Ionen durch
den Separator zwischen den Elektroden, wodurch sich ein geschlossener Stromkreis ergibt.
Im Aufladevorgang wird durch Anlegen einer äußeren Spannung der Elektronenfluss und die
Redoxreaktion umgekehrt und die elektrische Energie in chemische Energie gewandelt. Dazu
fließt der Ionenstrom von der Kathode durch den leitfähigen Elektrolyten und dem Separator,
aufgebaut ist, hindurch zu der negativ geladenen Elektrode.
13
11
Vgl. Tschöke, H. (Hrsg)/ Kowal, J./ Sauer D. 2015, S. 52f.
12
Eigene Darstellung in Anlehnung an Tschöke, H. (Hrsg)/ Kowal, J./ Sauer D. 2015, S. 53.
13
Vgl. Hennecke, M. 2014, S. 60ff.
16

Nach einer ersten Betrachtung des Batterieaufbaus werden im nachfolgenden Teil des
Kapitels die einzelnen Komponenten näher erklärt.
Elektroden
Um in einer Batterie einen Stromfluss und eine Spannung zu erzeugen sind Komponenten
notwendig, die Ionen aufnehmen bzw. abgeben können. Werden zwei verschiedene
Materialien mit unterschiedlichen Elektrodenpotenzialen in direkter oder indirekter
Verbindung über eine Leitung gebracht, wandern die Ionen bzw. Elektronen von der positiv
geladenen Elektrode hin zur negativ geladenen Elektrode. Dieser Vorgang setzt sich solange
fort, bis bei beiden Elektroden in etwa das gleiche elektrische Potenzial herrscht. Je höher die
Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden ist, umso höher ist die anliegende
Spannung. In Abbildung 2-3 ist eine Spannungsreihe von einigen Metallen aufgezeigt. Die
Metalle werden abhängig von Wasserstoff in edel und unedel eingeteilt. Für eine hohe
Spannung werden Elektroden in Batterien jeweils aus einem edlen und einem unedlen
Material verwendet.
14
Abbildung 2-3: Elektrochemische Spannungsreihe von Metallen
15
14
Vgl. Hennecke, B/. et al. 2014, S. 60ff.
15
Quelle: Hilgers, H. / Wosnitza, F. 2012, S. 47.
17

Dennoch gibt es eine physikalische Grenze der maximalen Zellspannung, die durch eine
geeignete Materialkombination erreicht werden kann. Anhand des Periodensystems in
Abbildung 2-4 kann abgelesen werden, dass das Optimum bei der Kombination von Lithium
mit Flor mit einer Spannung von 5,9 V erreicht wird, die aber bisher keine technische
Verwendung finden.
16
Abbildung 2-4: Periodensystem mit Materialkombinationen für Akkus
17
Separator
Die Hauptaufgabe des Separators ist die räumliche und elektrische Trennung der beiden
Elektroden, um einen Kurzschluss zu verhindern. Dennoch muss gewährleistet werden, dass
die Ionen ungehindert von einer Elektrode zur anderen wandern können. Deshalb werden
Separatoren als poröses Flächengebilde aufgebaut. Die Poren sind dabei so angeordnet, sodass
die Ionen möglichst homogen durchwandern können. Die Separatoren sind nur wenige
Mikrometer dick und müssen dabei gleichzeitig ausreichend stabil gegen
Temperaturänderungen und mechanische Stößen und Vibrationen sein.
18
16
Vgl. Birke, P. 2013, S. 265f.
17
Quelle: Birke, P. 2013, S. 265f.
18
Vgl. Korthauer, R. (Hrsg.)/ Roth, M./ Weber, C. J. 2013, S. 79f.
18

Elektrolyt
Elektrolyte leiten die Elektronen bzw. die Ionen zwischen den Elektroden, die für das Laden
und Entladen notwendig sind. Meist sind Elektrolyte in flüssiger Form aus den
Hauptbestandteilen Leitsalze, Lösungsmittel und Additive aufgebaut. Alternativ können feste
oder gelartige Elektrolyte verwendet werden, diese sind derzeit aber weniger verbreitet als
flüssige Elektrolyte. In der Praxis müssen die Elektrolyte über einen weiten
Temperaturbereich von mindestens -25°C bis +50 für mehrere tausend Zyklen im Elektroauto
zuverlässig funktionieren und dabei so wenig wie möglich mit den Elektroden reagieren.
19
19
Vgl. Korthauer, R. (Hrsg.)/ Hartnig, C./ Schmidt, M. 2013, S. 61f.
19

2.3 Herstellungsprozess
Akkuzellen
Die Produktion von Akkuzellen für Elektromobile ist ein sehr aufwendiger Prozess. Aufgrund
der derzeit geringen Nachfrage an Elektroautos und der Fertigungskomplexität, wird die
Produktion aktuell meist nicht von einer Produktionsstätte, sondern von unterschiedlichen
Firmen mit Spezialisierung bestimmter Produktionsschritten übernommen. Daraus ergeben
sich unter anderem die derzeit hohen Herstellungskosten der Akkuzellen.
20
Trotz der verschiedenen Geometrien, Größen und Materialien, durchlaufen alle Zellen
dieselben Hauptprozessschritte Fertigung der Elektroden, Zusammenbau der Zelle und
Aktivierung, wie aus Abbildung 2-5 zu entnehmen ist. Je nach Zelltyp gibt es in der
Produktion Unterschiede, die sich besonders beim Zusammenbau der Zelle bemerkbar
machen.
21
Abbildung 2-5: Produktionsreihenfolge Akkuzellen
22
20
Quelle: Kampker, A. 2014,S. 44.
21
Vgl. Kampker, A. 2014,S. 61ff.
22
Quelle: Kampker, A. 2014,S. 61.
20

Fertigung der Elektroden
Im ersten Arbeitsschritt werden die Anoden- und Kathodenfolien mit Hilfe einer
Beschichtungspaste miteinander verklebt. Anschließend wird der Klebstoff getrocknet und die
Elektroden durch ein Kalanderverfahren über mehrere Walzen gestreckt und verliert dadurch
an Dicke. Je nach gewünschter Geometrie werden die Folien im Anschluss im
Slittingverfahren auf die richtige Größe zugeschnitten.
23
Zusammenbau der Zellen
Je nach Geometrie der Zelle, die in Kapitel 2-4 näher erläutert werden, unterscheidet sich der
Zusammenbau voneinander und es sind zusätzliche Schritte notwendig. Grundsätzlich werden
beim Zusammenbau die Folien gewickelt, diese dann verpackt und die Verpackung
verschweißt. Bei prismatischen Zellen und Pouch-Zellen ist vor allem die Dichtigkeit in
diesem Prozessschritt aufwendiger.
24
Aktivieren
Nach dem Zusammenbau der Zelle werden diese mehrmals geladen und entladen. Dieser
Formierungsschritt ist dazu notwendig, damit sich um die Elektroden die SEI Schicht bildet,
die als Schutz vor den Elektrolyten notwendig ist, wie in Kapitel 2-8 näher erklärt.
Um bei der Endkontrolle eine geeignete Aussagekraft über den Zustand des Akkus zu
erhalten, werden diese beim ,,Aging" in einem Zeitraum von ca. 15 bis 30 Tage in einem
temperierten Raum gelagert. Während des Lagerns werden regelmäßig der Ladezustand
kontrolliert, um Zellen mit schlechter Qualität aussortieren zu können. Anschließend wird in
einer Endkontrolle die Zelle auf ihre Leistung und Sicherheit getestet und klassifiziert.
25
23
Vgl.: Kampker, A. 2014, S. 61f.
24
Vgl.: Kampker, A. 2014, S. 73f.
25
Vgl.: Kampker, A. 2014, S. 79f.
21

2.4 Zellgeometrien
Derzeit werden im Automobilbereich 3 verschiedene geometrische Ausführengen von
Akkuzellen verwendet. Je nachdem welche Form die Zellen einnehmen, ergeben sich
unterschiedliche Vor- und Nachteile, die in diesem Abschnitt erläutert werden sollen.
Rundzellen
Die Rundzellen, wie in Abbildung 2-6 gezeigt, sind die derzeit geläufigste Form der Zellen
und werden auch in vielen Anwendungen im Consumer Bereich verwendet. Um die
Rundzellen zu produzieren werden symmetrisch Endlosrollen aus Elektroden und Separatoren
aufgewickelt und in einem Gehäuse aus Stahl oder Aluminium verbaut.
26
Mit dieser
Geometrie konnte bisher viel Produktionserfahrung gesammelt werden und damit optimiert
werden, was sich in einer hohen Lebensdauer und einer mechanischen Robustheit
wiederspiegelt. Die Nachteile dieser kompakten Bauform sind aber die schlechte
Wärmeabführung, wodurch eine Kühlung notwendig wird und die im Vergleich zu anderen
Geometrien geringe Energiedichte auf Modulebene.
27
Abbildung 2-6: Rundzellen
28
26
Vgl. Schnettler, A. 2013, S. 303f.
27
Vgl. Birke, P. 2014, S. 39.
28
Quelle: Schnettler, A. 2013, S. 303.
22

Details

Seiten
Erscheinungsform
Originalausgabe
Jahr
2016
ISBN (PDF)
9783961161904
ISBN (Paperback)
9783961166909
Dateigröße
3.7 MB
Sprache
Deutsch
Institution / Hochschule
Technische Hochschule Rosenheim – Angewandte Forschung und Entwicklung
Erscheinungsdatum
2017 (Oktober)
Note
1,4
Schlagworte
Akku Elektromobilität Elektroauto Elektrofahrzeug Batterie Mobilität
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