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

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.

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.

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:

1. 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.
2. 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.

Nach dem Zusammenbau kommt die Zelle in eine Hülle und wird mit dem Elektrolyt befüllt

Die unterschiedlichen Materialien, aus denen die Lithiumzelle besteht, werden dann, nachdem sie zusammengebaut wurden in ein Gehäuse eingebracht. Dabei werden die zwei externen Pole an die internen Fahnen angeschweißt und über ein mittiges Loch wird das Elektrolyt eingespritzt, das, wie wir erinnern, eine wesentliche Rolle dabei spielt, die Ionen von der Kathode zur Anode fließen zu lassen.

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 Zusammenbau der Lithiumzelle ist nur ein Puzzlestück

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.