Beispiel 1: Hardcasezelle mit Injektionsnadel

Ausgangssituation: Im ersten Anwendungsbeispiel wird eine HEV1-Hardcasezelle (DIN SPEC 91252) befüllt. Hierfür wird die Anlage desiwb genutzt. Der Elektrolyt wird der Zelle über eine nicht dicht angeschlossene Injektionsnadel zugeführt.

Abbildung der Zelle:Der grundsätzliche Aufbau dieses Zelltyps ist in Ab-bildung 8.4 gezeigt. Die betrachtete Zelle besteht aus dem Gehäuse, dem z-gestapelten Zellkörper, zwei Isolierungselementen über den Ableitern (nicht

dargestellt) und zwei frontalen Platten („Spacer“), die beidseitig zwischen Zell-stapel und Gehäuse eingebracht werden. Der ZellZell-stapel wird durch nicht darge-stellte Klebestreifen fixiert und isoliert. Die genannten Komponenten reduzieren das freie Volumen im Gehäuse und den Einzugsquerschnitt des Zellkörpers. Der Zellkörper besteht aus 18 Basiszellen (Separator, Anode, Separator, Kathode) und einer abschließenden Anodendeckschicht. Alle Elektroden (NMC, Graphit) sind doppelseitig beschichtet. Für das ibd dieser LIZ müssen mit Ausnahme des Blocks „Deckschicht Kathode“ alle Blöcke des bdd des Zellaufbaus, dargestellt in Abbildung 7.2, instanziiert werden. Ebenso müssen die Eigenschaften der elektrochemischen Grundzelle (bdd dargestellt in Abbildung A.5) in diesem Schritt der Methodik abgebildet werden. Abbildung 8.5 zeigt einen kommentier-ten Ausschnitt eines Bildschirmfotos während der Instanziierung der Zelle. In den bdd sind Eigenschaften, die sich aus anderen Eigenschaften ableiten lassen, mit einem Schrägstrich (/Eigenschaft) vor dem Namen markiert. Für die Ausle-gung des Befüllungsprozesses sind insbesondere das Totvolumen (15 042 mm³), das zu dosierende Elektrolytvolumen (26 093 mm³) und der reale Einzugsquer-schnitt (256 mm²) der LIZ relevant. Die Software berechnet die genannten Werte auf Basis der vom Nutzer eingegebenen weiteren Zelleigenschaften.

Abbildung 8.4: Schematische CAD-Darstellung einer Hardcasezelle mit deren Haupt-komponenten. Isolations- und Fixierungselemente sind nicht abgebildet.

Die Lage der Spacer ist angedeutet.

Abbildung Anlage:Die Anlage weist je eine Aufnahmeeinheit für Folien- und Hardcasezellen, ein Versiegelungssystem für Pouchzellen, ein Drucksystem und ein Dosiersystem mit mehreren Füllanschlüssen auf. Die Blöcke sind in Abbildung 7.3 mit Rautezeichen (#) hervorgehoben und werden im ibd der Anlage instanziiert.

Auslegung der Anlage:In diesem Schritt ist kein Eingriff des Anwenders nötig.

Abbildung 8.5: Kommentierter Ausschnitt der Eingabemaske des ibd des Zellkörpers

Es wird abgeglichen, welche Komponenten der Anlage mit der Zelle kompa-tibel sind und das Ergebnis dem Anwender angezeigt. In Abbildung 8.6 ist dies am Beispiel der zwei Aufnahmesysteme illustriert. Die nicht-kompatiblen Anlagenkomponenten und die mit ihnen verbundenen Basisaktivitäten werden in den nächsten Schritten ausgeblendet. Im betrachteten Fallbeispiel betrifft dies neben der Aufnahmeeinheit für Pouchzellen auch das Versiegelungssystem.

Auslegung des Prozesses, Selektion:In diesem Schritt wird ausgewählt, wel-che Hauptaktivitäten durchgeführt werden. Die Hauptaktivitäten „Befüllen“

und „Setup“ sind a priori Teil des Prozessablaufs. Alle mit dem Versiegelungs-system verbundenen Aktivitäten können hier bereits nicht mehr ausgewählt werden. Die Anlage wird in einem Trockenraum betrieben. Um parasitäre Ne-benreaktionen zwischen Luftsauerstoff und Elektrolyt zu verhindern und um Restfeuchtigkeit zu entfernen, soll die Zelle vor der Befüllung mit Stickstoff gespült werden. Dies wird ist der Hauptaktivität „Befüllen vorbereiten“ zu-geordnet. Auf Stimulationsschritte in Form von Druckwechselzyklen wurde verzichtet, da die Gefahr besteht, dass durch die Phasenseparation Elektrolyt aus der Zelle verspritzt. Andere Stimulationsschritte sind mit der Anlage nicht durchführbar.

Auslegung des Prozesses, Parametrisierung:Im Schritt „Befüllen vorbereiten“

Abbildung 8.6: Kommentierter Ausschnitt der Eingabemaske des ibd des Aufnahmesys-tems mit zwei Aufnahmeeinheiten, von denen die untere nicht kompati-bel ist.

soll die Zelle mit Stickstoff geflutet werden. Entsprechend der Dekomposition der Aktivitäten (Abbildung A.6) besteht das Spülen der Zelle aus Evakuieren und Fluten mit Inertgas. Demzufolge müssen die Basisaktivitäten „Unterdruck erzeugen“ und „Überdruck erzeugen“ parametriert werden. Die Zelle sollte nach Tabelle A.2 auf einen möglichst niedrigen Druck evakuiert werden. Dies entspricht dem Minimaldruck der Vakuumkammer, der im ibd der Anlage mit 20 mbar hinterlegt wurde. Der Maximaldruck der Kammer ist der Umgebungs-druck. Vor dem Befüllen wird die Zelle erneut evakuiert. Nach Tabelle A.2 sollte die Zelle bei möglichst niedrigen Drücken befüllt werden. Der Siededruck der Elektrolytflüssigkeit ist höher als der Minimaldruck der Kammer. Aufgrund der in den bdd hinterlegten Constraints wird daher der Siededruck der Elektro-lytflüssigkeit, der im Schritt „Abbildung Zelle“ mit 50 mbar angegeben wurde, als Zieldruck übernommen. Anschließend werden die Parameter der Befüllung ermittelt. Da das freie Volumen in der Zelle kleiner ist als das zu dosierende Elektrolytvolumen, muss die Flüssigkeit in zwei Teilmengen dosiert werden.

Nach Gleichung 8.2 wurde berechnet, dass der zweite Befüllungsschritt 276 s nach Beginn der ersten Dosierung starten kann. Zwischen den

Dosierschrit-ten wird der Kammerdruck konstant gehalDosierschrit-ten. Nach Tabelle A.2 empfiehlt es sich, die Flüssigkeit mit hoher Einfüllrate zu dosieren. Durch Berechnung der Reynoldszahlen wird eine laminare Strömung sicher gestellt.

Auslegung des Prozesses, Kombination:Im letzten Schritt wird ähnlich eines Baukastensystems für jede instanziierte Hauptaktivität ein act aus den Basis-aktivitäten erstellt. Abbildung 8.7 zeigt dies am Beispiel der Hauptaktivität

„Befüllen vorbereiten“.

Abbildung 8.7: Aus Basisaktivitäten bestehendes act der Hauptaktivität „Befüllen vorbereiten“

Ergebnis und Diskussion:Bei den Zellen, die mit dem ausgelegten Prozess befüllt wurden, wies die dosierte Elektrolytmasse eine Standardabweichung von 0,17 g auf, siehe Tabelle 8.1. Dies lässt auf eine hohe Wiederholgenauig-keit des Prozesses schließen. Hierzu trägt bei, dass keine Elektrolytrückstände auf der Außenseite des Zellgehäuses registriert wurden. Das zu dosierende Elektrolytvolumen von 26 ml weist eine Masse von 30,94 g auf. Die real do-sierte Masse liegt durchschnittlich 1,17 g unter dieser Marke. Die Verluste sind auf Verdunstung von offenkettigem Carbonat, Spritzverluste und Toleranzen des Dosiersystems zurückzuführen. Bei der Berechnung des zu dosierenden Volumens werden solche Verluste jedoch bereits durch einen Korrekturfaktor berücksichtigt. In nachfolgenden, nicht von der Methodik umfassten Versuchen zur Optimierung des Prozesses konnte die Wartezeit zwischen den Dosierschrit-ten reduziert werden. Dies deutet darauf hin, dass entweder die Permeabilität oder das Totvolumen der Zelle größer ist als abgeschätzt.