Beispiel 3: Pouchzelle in Glovebox

Ausgangssituation:Das dritte Anwendungsbeispiel diente der Inbetriebnahme einer Befüllanlage der TUM im Labormaßstab für Pouchzellen. Abbildung 8.8 zeigt die Anlage mit ihren Komponenten. Die Vakuumkammer befindet sich in einer mit Argon gefüllten Glovebox. Beim Evakuieren der Kammer wird das Argon in das Labor abgegeben.

Abbildung 8.8: Anlage zur Befüllung von Pouchzellen mit Aufnahmesystem (a), Ver-siegelungssystem (b), Prozessraum in Form einer Vakuumkammer (c) und Dosiersystem (d)

Prozessgestaltung:Der Zellstapel der Pouchzelle besteht aus 14 Basiszellen und einer zusätzlichen Anode. Außer Klebestreifen zur Fixierung des Zell-stapels sind keine weiteren Komponenten enthalten. Das Soll-Befüllvolumen beträgt 12,9 ml. Um den Argon-Verbrauch zu reduzieren, wird der Prozess mit möglichst wenigen Stimulationsschritten implementiert. Daher umfasst der Prozess nur die Hauptaktivitäten Befüllen vorbereiten, Befüllen, Versiegeln und Stimulation nach Versiegeln. Das Totvolumen der Pouchzelle wäre ausrei-chend groß, um das Elektrolytvolumen in einem Dosierschritt aufzunehmen.

Da die Pumpe maximal 3 ml pro Hub abgeben kann, waren fünf Dosierschritte nötig. Füllverluste und Verschmutzung von Zelle und Anlage wurden vermin-dert, indem die Dosiergeschwindigkeit auf 0,25^ml/sbeschränkt wurde. Um zu verhindern, dass Elektrolyt verdunstet und die Argon-Atmosphäre in der Glovebox verunreinigt, wurde die Zelle ohne Zwischenschritte nach Abschluss der Dosierung verschlossen. Das zwangsläufig nötige Belüften der Kammer ist Teil des Schrittes Stimulation nach Versiegelung. Die Visualisierungsversuche haben gezeigt, dass bei zu schnellem Belüften die Elektrolytflüssigkeit um den Zellstapel herum gepresst werden kann und Restgase einschließt. Aus diesem Grund wurde die Kammer mit einer Druckwechselrate von 5^mbar/sbelüftet.

Ergebnis und Diskussion:Die dosierte Elektrolytmasse weist mit 0,12 g die niedrigste absolute Streuung unter den Anwendungsbeispielen auf. Die tat-sächlich dosierte Masse liegt 0,02 g über der Sollmenge. Die Differenz ist durch Dosierungenauigkeiten und Messtoleranzen erklärbar. Es wurden zudem keine Spuren von Elektrolyt an Anlage oder Außenseiten der Zellen festgestellt.

Kennwert Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3

m_el 29,77 g 32,83 g 15,37 g

σm(absolut) 0,17 g 0,44 g 0,12 g σm(relativ) 0,57 % 1,34 % 0,78 %

n 4 27 4

t_Prozess 369 s 190 s 312 s

Verschmutzung 0 1 0

Tabelle 8.1: Kennwerte der erarbeiteten Prozesse. Die Angabe der Masse ist der durch-schnittliche Wert. Ergänzend sind die absoluten und relativen Standardab-weichungenσmbei n Versuchen und die Dauer des Prozesses durch t_Prozess angegeben. Die Verschmutzung von Zelle und Anlage wurde in den Ab-stufungen 0 (keine), 1 (leichte), 2 (mittlere) und 3 (starke Verschmutzung) bewertet.

8.4.4 Fazit

Anwendungsbeispiele

In allen drei Anwendungsbeispielen wurden mithilfe der Methodik durchführ-bare Prozesse gestaltet, die die jeweiligen Eigenschaften von Zelle und Anlage berücksichtigen. Keiner der Prozesse führte zu Fehlbefüllungen. Hierunter fallen beispielsweise Zellen, bei deren Befüllung deutliche Verluste auftreten.

In der Auslegungsphase hat es sich als essentiell erwiesen, dass die Systemar-chitektur zuvor korrekt abgebildet wurde. Die geometrischen Eigenschaften der Zelle haben großen Einfluss auf die Parametrisierung des Prozesses, wie etwa das freie Volumen auf die Zeitkette der Dosierschritte. Die Abschätzung der Volumina von Spacern oder isolierenden Elementen mit komplizierten Geome-trien ist aufwendig und fehlerbehaftet. In der Abbildungsphase definierte Werte können jedoch noch zu späteren Zeitpunkten verändert werden, woraufhin das Software-Tool umgehend alle verknüpfen Werte aktualisiert. Damit ist es mög-lich, erstens die Werte der Eigenschaften im Verlauf der Methodik anzupassen und zweitens die Sensitivität dieser Eigenschaften im konkreten Anwendungs-fall abzuschätzen. Die Möglichkeit, Eigenschaften im Modell zu variieren und die daraus entstehenden Folgen abzuleiten, trägt insbesondere dazu bei, den experimentellen Aufwand der Prozessauslegung zu reduzieren. Letztlich wird auch die Optimierung des Prozesses durch die präsentierten Ergebnisse unter-stützt. Anhand der in den BFD dokumentierten Ursache-Wirkungs-Ketten kann der Anwender gezielt durch Anpassung der Vorgabegrößen in den Prozess eingreifen und dessen Verlauf beeinflussen.

Es bestehen noch Einschränkungen in der Anwendung der Methodik. Zum derzeitigen Stand ist die Methode nicht in der Lage, die Taktzeit des vorgeschla-genen Prozesses zu kalkulieren. Die Berechnung der Startzeitkette bei mehreren Dosierschritten beruht auf der Annahme des ungünstigsten Falles, in dem zum Startzeitpunkt des jeweiligen Dosierschrittes die Teilmenge schlagartig dosiert wird. Auch wird dem Anwender nicht vorgegeben, welche der durchführbaren Hauptaktivitäten in den Prozess aufzunehmen sind. Die Methodik kann für Befüllverfahren angewendet werden, bei denen die Flüssigkeit in die montierte Einheit aus Gehäuse und Zellkörper dosiert wird. Davon abweichende

Verfah-ren, wie das Tränken des Zellkörpers in Elektrolytflüssigkeit ohne Gehäuse oder die Dosierung gasförmiger Elektrolyte, sind nicht Gegenstand der Methodik.

Allgemeine Hinweise zur Prozessdurchführung

Die vorgestellten Ergebnisse gestatten es, die folgenden allgemeinen Hinweise zur Durchführung der Befüllung abzuleiten. Falls die Methodik nicht angewen-det wird, können diese Anhaltspunkte die Gestaltung des Befüllungsprozesses unterstützen.

• Das Totvolumen der Zelle bestimmt maßgeblich, wie schnell die Flüs-sigkeit dosiert werden kann. Ein großes Totvolumen ist aus Sicht der Elektrolytbefüllung vorteilhaft, einer hohen Energiedichte der LIZ jedoch abträglich.

• Die Flüssigkeit wird vorrangig von der Unterseite in den Zellstapel aufge-sogen. Aus diesem Grund sollte die Zelle bei der Befüllung so positioniert werden, dass die horizontalen Seiten länger als die vertikalen Seiten sind.

Dies reduziert die von der Flüssigkeit im Zellstapel zurückzulegende Steighöhe.

• Wird die Flüssigkeit mit zu hoher Geschwindigkeit und offenem An-schluss in die Zelle eingefüllt, besteht die Gefahr von Füllverlusten durch verspritzende Flüssigkeit. Eine niedrige Dosiergeschwindigkeit hingegen erhöht die Prozessdauer.

• In der LIZ sollte zum Zeitpunkt der Dosierung ein möglichst niedriger Druck herrschen. Der Druck wird durch den Siedepunkt der Elektrolyt-flüssigkeit begrenzt. Gleiches gilt bei der Versiegelung von Pouchzellen.

• Erhöhte Temperaturen verringern die Viskosität der Elektrolytflüssigkeit, bewirken aber eine Verschiebung des Siedepunktes zu höheren Drücken.

• Bei Druckwechselzyklen sollten oberer und unterer Grenzdruck möglichst weit auseinander liegen, da die Druckdifferenz direkt mit der Größen-variation der eingeschlossenen Luftblasen während der Druckzyklen korreliert. Jedoch sollte der Dosierdruck nicht unterschritten werden.

Andernfalls wird Flüssigkeit aus Zellstapel und Totvolumen verdrängt, wodurch Spritzverluste auftreten können. Wird eine verschlossene Zelle

einem Druck unterhalb des Siegeldrucks ausgesetzt, kann sie verformt und beschädigt werden.