Flexible PowerCap-Zellen-Produktion So funktionieren die Hybridspeicher für Rekuperation

Module und Versuchsstand
Module und Versuchsstand

Im Projekt »FastStorageBW II« haben die Partner Know-how für Hochleistungsspeicher mit wässrigem Elektrolyt und deren Fertigungstechnik aufgebaut.

Ein Ergebnis sind zwei Zellen: die HVC-32600 mit 5 Ah und die HVC- 32900 mit 9 Ah. Ihr Innenwiderstand  kommt auf unter 2 mΩ. Sie lassen sich mit einem konstanten Strom bis zu 100 A laden. Die Zellen des Typs HVC-32600 erreichen spezifische Energie- und Leistungsdichten von 30 Wh/kg und 1,3 kW/kg, die des Typs HVC-32900 49 Wh/kg und 1,9 kW/kg.

Um reproduzierbarer Prozesse für die Massenfertigung zu entwickeln, haben die Ingenieure die konventionelle Prozesskette in der Zellfertigung untersucht und die kritischen Parameter mittels Produkt- und Prozess-FMEA identifiziert. Ausgehend von diesen Ergebnissen entwickelten die Experten ein Clusterkonzept für die dezentrale, vernetzte Produktion von Rundzellen auf einer automatisierten Versuchslinie. Einzelne Fertigungsstationen wurden exemplarisch umgesetzt und digital vernetzt. Die Cluster-Fertigung ermöglicht die flexible Produktion von Kleinserien mit reproduzierbarer Fertigungsqualität. Auf den Fertigungsstationen wurden im Laufe des Projekts rund 5.000 Zellen gleichbleibender Qualität hergestellt.

PowerCaps-Module plus Batteriemanagement

Diese PowerCaps-Zellen wurden zu Modulen verbaut. Zudem entwickelten die Projektpartner verschiedene, auf die Anwendungen angepasste Batteriemanagementsysteme. Zur Modulherstellung entstand ein halbautomatisiertes, teils roboterbasiertes, Widerstandsschweiß-Verbindungs-System. Die Module wurden umfangreichen Sicherheitstests unterzogen und bei den Partnern in ein Regalbediengerät und ein fahrerloses Transportsystem (FTS) eingebaut. Im Regalbediengerät konnte erfolgreich das Potenzial  der Energierückgewinnung sowie die Glättung von Lastspitzen gezeigt werden. Die Reichweite des FTS steigerte sich mit den PowerCaps im Vergleich zu Superkondensatormodulen erheblich.

Umfangreiche Simulationen

Außerdem wurden für Automobilanwendungen Versuchsstände zur Simulation einerseits von Dual-Systemen zur Schonung der Bleibatterie sowie andererseits zur Bordnetzstabilisierung im Zusammenspiel mit Hochleistungsverbrauchern aufgebaut. Auf diesen Versuchsständen evaluierten Projektpartner erfolgreich den Einsatz der PowerCaps. Eine Simulationsumgebung bildete in einem weiteren Versuchsstand die Lastprofile von diversen Fertigungsanlagen ab. Auf diese Weise konnte der Vorteil von Energiespeichern in der vernetzten Produktion gezeigt werden.

Parallel zur Zell- und Modulentwicklung sowie den Tests in den Anwendungen haben  die Wissenschaftler hochstromfähige Aktivmaterialien für eventuelle zukünftige Zellgenerationen untersucht. Dabei konnten nanostrukturierte Nickelelektroden hergestellt  werden, die Entladeraten von 1.150 C ermöglichen.

Neben den elektrochemischen Synthesen und der Charakterisierung wurde auch die Verarbeitung auf industriell etablierten Misch- und Beschichtungsanlagen erprobt. Im Bereich der Elektrodenherstellung entwickelten die Experten eine Trockenbeschichtungstechnologie, außerdem konnten verschiedene Anwendungsmöglichkeiten einer  Atmosphärenplasmabehandlung gezeigt werden. Dafür wurden im Rahmen des Projekts je eine Rolle-zu-Rolle-Nass- beschichtungs-  und Trockenbeschichtungsanlage sowie eine Plasmavorbehandlungsanlage mit kontinuierlichem Vorschub aufgebaut.

Als alternative Zelltechnologie entwickelte das Konsortium eine wässrige bipolare Zelle und baute den Prototyp eines 48-V-Zellstacks mit nachträglicher Elektrolytbefüllung auf. Abgerundet wurden die Arbeiten von begleitenden Marktrecherchen und ökologischen Betrachtungen, um bereits in der Entwicklungsphase ein umwelt- und recyclinggerechtes Produktionsdesign sowie eine umweltgerechte Produktion der Powercaps zu verwirklichen.