Wie werden Lithiumzellen hergestellt? Alles über das Mischen, Zusammenbauen und Befüllen

Beim Thema Lithiumbatterien, kommen wir nicht umhin, über deren Hauptelement zu sprechen, nämlich die Zellen, aus denen sie bestehen, und die die Energieabgabe möglich machen. Auf dem Markt werden vor allem drei Lithium-Ionen-Zellen-Formate angeboten, die für die unterschiedlichen Typen von Anwendungen eingesetzt werden:

Zylindrische Zelle

Wie sich leicht erraten lässt, hat die zylindrische Zelle die Form eines Zylinders. Sie ist die gängigste Zelle und gehört zu den ersten, die serienmäßig hergestellt wurden. Es gibt sie in unterschiedlichen Durchmessern: Die bekannteste ist die 1865, wobei die Zahl 18 auf den Durchmesser verweist (18 mm) und die Zahl 65 die Länge bezeichnet (65 mm). Es gibt jedoch auch andere Formate, wie beispielsweise das 2170 oder das 4680, welches ganz aktuell vom Pionier der Lithiumbatterien für Tesla Elektroautos zur Elektrifizierung des Modells Tesla Y eingesetzt wird. Unabhängig von einem Autohersteller, der diesen Weg gegangen ist, wird die zylindrische Zelle üblicherweise in kleine bis mittelgroße Batteriepakete eingebaut, wie z. B. im Bereich Mikromobilität (Fahrräder, Scooter und Roller) tragbare Geräte, Medizinprodukte usw.

Pouch-Zelle

Diese Lithiumzelle wird so wegen ihrer beutelartigen Bauform genannt und hat ein leichtes Design. Da sie selbst nicht sehr robust ist, muss bei der Herstellung des Moduls ein entsprechender Schutz, wie beispielsweise ein Aluminiumrahmen, eingebaut werden, um sie stabiler zu machen. Die Abmessungen können variieren und verändern sich je nach Anforderung des Herstellers. Diese Zelle wird vor allem in Smartphones, Dronen, Laptops, in der Autoindustrie usw. verbaut.

Prismatische Zelle

Diese Zelle hat eine solide rechteckige Hülle aus Aluminium oder einem sehr widerstandsfähigen Kunststoff und die Innenbauteile sind schichtartig aufgebaut. Es gibt sie je nach Einsatzgebiet in unterschiedlichen Größen und in einer Vielzahl von Formaten, und sie kann eine hohe Kapazität der einzelnen Elemente erreichen. Wegen ihres Aufbaus ist die prismatische Zelle geeigneter für die Herstellung von Lithiumbatterien für den Bereich Fahrzeuge und Industriemaschinen, oder Energiespeicherung, die gewöhnlich mittelstarke Kapazitäten erfordern.

Wir haben bereits über die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Zelltypen, gesprochen, aber haben wir uns je gefragt, wie ihr Herstellungsprozess aussieht, und wie er funktioniert?

Von außen betrachtet, sehen die Zelltypen, aus denen eine Lithiumbatterie besteht, sehr unterschiedlich aus: Es wird Sie jedoch überraschen, dass ihr Inneres sehr ähnlich aufgebaut ist. Wir betrachten nun die Details der unterschiedlichen Arten der Herstellung und des Zusammenbaus  der Zelle.

Woraus besteht eine Lithiumzelle?

Wie wir wissen, hat die Lithium-Ionen-Zelle zwei Elektroden bzw. eine Kathode (positiver Pol aus Kathodenmaterial, wie NMC, LFP usw.) und eine Anode (negativer Pol aus einem Anodenmaterial, wie beispielsweise Grafit oder Kohlenstoff).

Hinzu kommt ein mittiger Separator bzw. eine dünne Schicht, die normalerweise aus einem Kunststoff- oder Keramikpolymer besteht und die als Isolator zwischen den beiden Elektroden wirkt und schließlich ein Elektrolyt, eine organische Flüssigkeit, die Lithiumsalze enthält, mit der das Innenvolumen der Zelle aufgefüllt wird und die die Elektroden benetzt und so Anode und Kathode miteinander verbindet.

Wie werden die Anoden- und Kathodenschichten hergestellt?

Folgende drei Schritte müssen dabei befolgt werden:

Mischen der Elektrodenmaterialien „Auftragen“, Coating genannt Trocknen

Zunächst werden die in der Lithium-Ionen-Zelle verwendeten Rohstoffe in Pulverform in einem großen Mixer auf unterschiedliche Arten gemischt: Trockenmischung, Nassmischung, mit Lösungsmitteln oder in Wasser.

Den so erhaltenen chemischen Zusammensetzungen müssen anschließend Bestandteile (Bindemittel oder andere Substanzen) hinzugefügt werden, um eine gleichmäßige Schicht zu erhalten, die auf die Metall-Elektroden aufgetragen wird, was als Coating bezeichnet wird. Dieser Vorgang ähnelt sehr dem Siebdruckverfahren, bei dem ein Blatt (aus Aluminium oder Kupfer) durch eine Presse geführt und mit einem Verbundmaterial beschichtet wird, das sorgfältig verstrichen werden muss, um eine gleichmäßige Verteilung auf der Zelle erhalten zu können, um diese leistungsfähig zu machen.

Nach dem Coating erfolgt die Phase der Trocknung im Ofen bei bis zu 150 Grad C, die sehr anderen Produktionsprozessen ähnelt, wie beispielsweise die Herstellung von Keramik, wobei die Temperatur und die Feuchte ständig überwacht werden müssen.

Beispiel für Mischprozess

Beispiel für Beschichtungsprozess

Nachdem die Schicht der Anode und der Kathode hergestellt wurde, sind diese bereit, miteinander und dem Separator verbunden zu werden. Damit hat die wirkliche Phase des Zusammenbaus der Zelle begonnen (das schlagende Herz der Lithiumbatterie), die auf unterschiedliche Weise erfolgen kann:

• Stapelvorgang (Stacking)
• Faltvorgang (Z-Folding)
• Rundwickeln (Rolling)

Stacking (oder Stapelverfahren) der einzelnen Blätter

Bei dieser Lösung ist vorgesehen, dass die Blätter der Anode, Kathode und des Separators einzeln, jedes über einen Roboterarm geschnitten und anschließend übereinandergelegt werden, bis eine ganze Lithiumzelle entsteht.

[Video.1]*

Bei den beiden anderen Bauformen wird hingegen eine Art Einzelblatt gebildet, das auf verschiedene Arten um sich herum gewickelt wird.

Z-Falten

Das als Z-Falten bezeichnete Verfahren verwendet in Blätter geschnittene Anoden und Kathoden, während der Separator aus einer kontinuierlichen Materialbahn besteht. In diesem Fall werden die Blätter der Anode und Kathode zunächst geschnitten und anschließend in den Separator eingefügt. Eine kontinuierliche Materialbahn hält die beiden Elektroden über ein Z-Faltungs-Verfahren getrennt.

[Video.2]*

Rundwickeln

Das Rundwickelverfahren besteht in der Aufwicklung von vier Materialblättern, die vorab übereinander gestapelt wurden (Anodenblatt + Separator + Kathodenblatt + Separator) und anschließend auf einen zylinderförmigen oder ovalen Kern aufgewickelt werden, so dass sie die typische Form der Hülle der prismatischen oder zylindrischen Zelle annehmen.

[Video.3]*

Wie wir veranschaulicht haben, können die Zusammenbaumethoden verschieden sein, doch die Zusammensetzung der Zelle bleibt dieselbe. Auf den Abbildungen der verschiedenen Zusammenbausvorgänge sehen wir, dass die Anode tatsächlich eine braune Grundfarbe besitzt, da das Coating sich auf eine dünne Kupferfolie abgelagert hat. Dann gibt es den Separator aus Kunststoff oder Keramik und schließlich die Kathode, die grau ist, da sie sich auf eine Aluminiumfolie abgelagert hat.

Welche Vor- und Nachteile gibt es bei den verschiedenen Methoden des Zellzusammenbaus?

Bei der Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle gibt es bis heute keine eindeutig bevorzugte Technologie. Jeder Hersteller wählt die Methode aus, die er selbst bevorzugt und jeder streicht die Vorzüge der eigenen Wahl auf der Grundlage der endgültigen Verwendung heraus, für die er die Lithiumbatterie einsetzen wird.

Es kann jedoch festgestellt werden, dass die Stacking-Methode gut dafür geeignet ist, den Raum in einer rechteckigen Zelle (beutelförmig oder prismatisch) auszunutzen, da die so aufeinander gelegten Blätter jeden Raum ideal ausfüllen können und damit den Bereich des aktiven Teils vergrößern. Das birgt jedoch zwei Arten von Risiken:

Wenn die Blätter leicht versetzt sind und insbesondere der Separator, könnte durch Letzteren der Kontakt an den Rändern der beiden Elektroden nicht vermieden und so ein Kurzschluss ausgelöst werden. Selbst wenn das Schneiden der Blätter mit Laser erfolgt, können die Blätter an den Rändern beschädigt oder uneben werden, was einen weiteren schlecht kontrollierbaren Umstand für die Qualität der Zelle darstellt.

Dagegen sorgen die Wickel- oder Faltsysteme für eine bessere Trennung der Elemente, weil es im Separator keine Unterbrechungen gibt. Der Nachteil liegt in diesem Fall am Falt- bzw. Biegepunkt, welcher in mechanischer Hinsicht höheren Beanspruchungen ausgesetzt ist und somit eher Gefahr läuft, zu brechen, was zu einem Kurzschluss zwischen den beiden Elektroden führt.

Beim Rundwickeln ist das Endergebnis zudem eine Rolle mit einer mehr oder weniger ovalen Form, was dazu führt, dass die Ecken der rechteckigen Zelle ohne Material sind, daher wird das Innenvolumen nicht ausgenutzt. Genau aus diesem Grund werden auch oft große Zellen hergestellt, in denen sich mehrere kleindimensioniertere Rollen parallel angeordnet befinden.

Wie sieht der Aufbau einer Lithiumzelle nach dem Zusammenbau aus?

[Abb. 1]*

In der Abbildung oben ist die interne Zusammensetzung der Lithiumzelle deutlich erkennbar, bevor diese in ihr Gehäuse eingesetzt wird und in Modulen zum Einsatz kommt, die zu einem vollständigen Lithiumbatteriepack zusammengesetzt werden.  In diesem spezifischen Fall sprechen wir von einer prismatischen Zelle, bei der zwei „kleine Packungen“ durch ein zentrales (gelbes) Band zusammengehalten werden.

In der Mitte ist der Separator (weiß) sichtbar, während sich rechts und links die beiden Pole, die Kathode (Kupfer) und die Anode (Aluminium) befinden, die dann an die Außenanschlüsse der Zelle durch einen Ultraschallschweißprozess angeschlossen werden.

Once assembled, the various materials of lithium cell composition are placed in a containment case, with the two outer positive and negative electrodes welded to the inner tabs and a central filler hole where the electrolyte will be injected. It will be recalled that the electrolyte has the basic function of passing the lithium ions from cathode to anode.

[Video.4]*

Die Animation zeigt die Funktionsweise der unterschiedlichen Befüllungsphasen der Zelle, ein Vorgang, der auf den ersten Blick einfach erscheint, in Wirklichkeit aber ein besonders empfindliches und kostenintensives Unterfangen ist und zahlreiche Schritte erfordert. In das zentrale Loch wird eine Flüssigkeit eingefüllt, die Lithiumsalze enthält und die vom Stapel nach und nach aufgrund der Kapillarität absorbiert wird (der eigentliche Flüssigkeitsbedarf besteht in der Mitte der Zelle, zwischen den beiden Elektroden und dem Separator).

Die Befüllung ist ein sehr langsamer Prozess, da die Zelle, damit die Flüssigkeit ohne Herauslaufen aufgenommen werden kann, mehrfach beaufschlagt werden muss. Man muss sich vor Augen führen, dass die letzte Befüllung stattfindet, nachdem ein Aging von einigen Tagen erfolgt ist. Bevor die abschließende Versiegelung stattfinden kann, erfolgt eine Kontrolle des Füllstandes über das Wiegen der Zelle. Dieser Schritt ist wesentlich und absolut notwendig, denn nach der vollkommenen Versiegelung der Zelle wird das Loch verschlossen und nicht mehr zugänglich sein.

Der ordnungsgemäße Zusammenbau der Zellen aus denen eine Lithiumbatterie besteht, ist, egal ob es sich dabei um eine prismatische, zylindrische oder pouchförmige Zelle handelt, aus diesen Gründen ein extrem komplexer Vorgang, der lange Reihen von Maschinen und höchste Präzision in jeder Phase erfordert. Dies sind unabdingbare Voraussetzungen, um dauerhafte Sicherheit, Qualität und Zuverlässigkeit zu garantieren. Es ist ein Prozess, der eine stetige und strenge Überwachung auf Unreinheiten verlangt und Handlungen erfordert, die ohne Unterbrechung in Reinräumen ausgeführt werden. Deshalb sind beträchtliche Investitionen sowie große Werkanlagen nötig, in denen gearbeitet wird.

Nach der Auswahl der am besten geeigneten Lithiumzusammensetzung, ist der ordnungsgemäße Zusammenbau der Zelle sicher der erste Schritt (einer langen Folge), um die vollständige Leistungsfähigkeit einer Lithiumbatterie zu erreichen. Eine komplexe Kette von Abläufen, die von der Herstellung eines Moduls, zum Einsatz einer fortschrittlichen Steuerungselektronik mit ausgereiftem BMS, bis hin zur Entwicklung von Batteriepaketen mit immer moderneren Architekturen reicht.

Jede elektrische Anwendung hat ihre besonderen Anforderungen und um ihr ordnungsgemäßes Funktionieren zu sichern, ist es wichtig, das richtige Gleichgewicht zwischen all diesen Elementen zu finden, die, wie in einem Puzzle, an die richtige Stelle gebracht werden müssen, um die Identität des Produkts aufzubauen: ein Vorgang, der nur von einem erfahrenen und strukturierten Hersteller garantiert werden kann.

*Quellen:

^{Quelle Video 1-2-3: Video „Cell stacking processes for lithium-ion cells“ vom YouTube-Kanal von TUM School of Engineering and Design  https://youtu.be/ESvVLEwXYwM
Quelle Video 4:  Video „Electrolyte filling of a lithium-ion cell“ vom YouTube-Kanal von TUM School of Engineering and Design  https://youtu.be/ceUSPNzxwls
Quelle Abb. 1: Bild entnommen aus dem Video „How is made a lithium-ion battery“ vom YouTube-Kanal von Lithium Battery Company  https://youtu.be/UHZg5-uk1-k}