Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB
Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB

Skill and Scale up: Der Fertigungsprozess einer Lithium-Ionen-Batterie

Wie wird eine Batteriezelle gefertigt?

Die Elektromobilität hat sich zu einem integralen Bestandteil unseres nachhaltigen Alltags entwickelt. Lithium-Ionen-Batterien sind das Herzstück dieses Wandels und treiben nicht nur Fahrzeuge, sondern auch eine Vielzahl unserer elektronischen Geräte an. Die Fertigung dieser variiert je nach Batterietyp, doch im Wesentlichen verlaufen die wichtigsten Schritte und Prozesse ähnlich. Diese lassen sich in die Elektrodenfertigung, die Assemblierung und die Zellfinalisierung gliedern: Genauere Details darüber erklären wir im fünften Teil unserer Informationskampagne »SkillandScaleUp«.

1983 reichte Professor Akira Yoshino eine Patentanmeldung für die Lithium-Ionen-Batterie ein, wie wir sie heute kennen. Seither arbeitet sie nahezu nach dem gleichen Prinzip. Die Herausforderungen bei der Herstellung moderner Batterien besteht darin, ihre Energiedichte zu maximieren, die Herstellungskosten zu minimieren und die Nutzungsdauer zu verlängern. Für die Fertigung einer Batteriezelle durchläuft diese viele einzelne Stationen. Alles beginnt mit der Elektrodenfertigung.

Die Elektrodenfertigung

Der Prozess beginnt mit der Herstellung der Elektrodenpaste, auch bekannt als »Slurry«. Diese Paste variiert je nach Rezeptur und erfordert eine homogene Vermischung, ohne Verunreinigungen oder Luftbläschen. Dafür werden entmineralisiertes Wasser, eine wässrige Bindelösung und Leitruß mit dem Aktivmaterial vermischt. Im Extruder werden die Materialien mithilfe einer Extruderschnecke kontinuierlich vermengt. Wenn dieser Schritt abgeschlossen ist, tritt die Elektrodenpaste an der Endplatte des Extruders hinaus. Das Ergebnis des Mischvorgangs ist die Elektrodenpaste, die im nächsten Schritt, dem »Beschichten und Trocknen« hauchdünn auf eine Trägerfolie aufgetragen wird. Diese Elektrodenfolie durchläuft anschließend den Trocknungskanal, wo das Lösungsmittel bis auf einen definierten Anteil verdampft und der Slurry an die Folie gebunden wird. Das Lösungsmittel wird aufgefangen, zurückgewonnen und kann wieder recycelt werden.

Die Trocknung ist sehr energieintensiv und vergleichbar mit einem Umluftofen. In der Prozesszone ist eine maximale Fördergeschwindigkeiten von 80 m/min und eine Temperatur von bis zu 160°C möglich. Rotierende Walzen verdichten anschließend die Beschichtung und können so die Porosität beeinflussen. Dabei wird die Folie in einem »Rolle-zu-Rolle-Prozess« aufgewickelt. Danach wird beim »Slitting« die gewalzte Elektrodenfolie (das Muttercoil) längs in mehrere, kleinere Bänder, so genannte Tochtercoils, unterteilt. Hier können sehr hohe Geschwindigkeiten von 80-150 m/min erzielt werden. Im Gegensatz dazu ist beim letzten Prozessschritt, dem Vakuumtrocknen, Ausdauer gefragt. 6-24 Stunden können benötigt werden, um eine trockene Elektrodenfolie an den nächsten Fertigungsprozess, die Assemblierung, zu übergeben. Dieser Schritt ist jedoch unersetzlich, da im Vakuumofen der restliche Lösemittelgehalt sowie Feuchtigkeit, welche im Inneren der Folie sitzt, verdampfen muss. Denn jegliche Feuchtigkeit kann später einen negativen Einfluss auf die Qualität der Batteriezelle haben.

Damit legt die Elektrodenfertigung den Grundstein für die spätere Qualität der Batteriezelle. Daher ist es wichtig, mögliche Verunreinigungen oder Fehler während des gesamten Prozesses zu detektieren, um Probleme in den nachfolgenden Schritten zu vermeiden.

© Studio Wiegel
Der Prozess beginnt mit der Herstellung der Elektrodenpaste. Dafür werden entmineralisiertes Wasser, eine wässrige Bindelösung und Leitruß mit dem Aktivmaterial vermischt. Im Extruder werden die Materialien mithilfe einer Extruderschnecke kontinuierlich vermengt.
© Studio Wiegel
In der Beschichtungsanlage wird eine Trägerfolie mit der feuchten Elektrodenpaste beschichtet und anschließend in einem Trocknungsofen getrocknet.
© Studio Wiegel
Die beschichtete Folie wird nach der Trocknung einer genauen Qualitätsprüfung unterzogen und gewickelt.

Die Assemblierung  

Sind die Prozessschritte für die Elektrodenfertigung noch für alle Zellformat gleich, so unterscheiden sich diese bei der Assemblierung je nach Zelltyp. Aus diesem Grund benötigt jedes Zellformat eine eigene Linie für die Assemblierung. Mit Blick auf eine reibungslose, qualitativ hochwertige und sichere Herstellung der Batteriezellen stellt dieser Prozessschritt jedoch umfassende Anforderungen an Sauberkeit und Trockenheit. So muss in so genannten Rein- und Trockenräumen ein trockenes Raumklima vorherrschen und dadurch eine sehr niedrige Luftfeuchtigkeit bei einem Taupunkt von minus 60 Grad – dem Temperaturwert, ab dem die Kondensation der Luftfeuchte beginnt- vorliegen. Damit ist es trockener als in der Wüste.  

 Für die Assemblierung werden in einem ersten Schritt werden die getrockneten Tochtercoils abgewickelt und der jeweiligen Vereinzelungsstation zugeführt. Vereinzeln bedeutet, dass die einzelnen Sheets dann herausgestanzt (mechanisches Trennen) oder gelasert (thermisches Trennen) werden, um im nächsten Prozessschritt zu einem Zellstapel gestapelt oder für die Rundzelle gewickelt zu werden. Das heißt: Auf die Anode folgt der Separator, die Kathode usw. Die bisher gängigsten Methoden hierbei sind das Einzelblattstapeln d.h. die vereinzelten Elektroden werden abwechselnd gestapelt oder das Z-Folding. Hierbei wird der Separator mittig gespannt und die vereinzelten Elektrodensheets abwechselnd von links und rechts in eine Separatortasche eingebracht.

Um funktionieren zu können, benötigt jede Batteriezelle Kathoden- und Anodenkontaktfähnchen. Dafür werden beim darauffolgenden »Kontaktieren« die Stromfahnen des Elektrodenstacks mit den Kontaktfahnen der Zellen verschweißt. Anschließend müssen die Batteriezellen verpackt werden. Pouchzellen werden dafür in eine Alumniumverbundfolie (Pouchfolie) gepackt und an drei Stellen gasdicht verschlossen. Eine Seite bleibt geöffnet, damit anschließend die Elektrolytbefüllung erfolgen kann. Dies erfolgt mittels einer sehr präzisen Dosierlanze. Ist die Zelle gefüllt, wird sie an der letzten fehlenden Stelle verschweißt. Erst jetzt ist die Zelle bereit, um erstmalig elektrisch be- und entladen zu werden.

© Fraunhofer FFB
Bis zur fertigen Batterie durchläuft diese viele einzelne Stationen. Alles beginnt mit der Elektrodenfertigung, es folgt die Assemblierung bis schließlich die Batteriezelle bei der Zellfinalisierung zum ersten Mal Be- und Entladen wird.

Die Zellfinalisierung  

Für den letzten Fertigungsschritt ist nochmal Ausdauer gefragt: Zunächst werden die Zellen bei erhöhter Temperatur (zwischen 30-50 Grad Celsius) entweder in einzelnen Kammern oder in temperierten Hochregallagern gelagert, damit sich das Elektrolyt besser im Zellinneren verteilen kann. Bei der anschließenden »Formierung« wird die Batteriezelle erstmalig kontrolliert be- bzw. entladen. Ziel ist die Bildung einer homogenen »Solid Elektrolyte Interphase (SEI)«. Diese Passivierungsschicht bildet sich beim ersten Anlegen einer Spannung und ist für den erfolgreichen Betrieb der Batteriezelle unerlässlich. Sie bestimmt die elektrochemische Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie wesentlich mit, weil sie in jedem Lade- und Entladezyklus stark beansprucht wird. Allerdings kann dieser Prozess, die Formierung, bis zu 24 Stunden dauern. Er beeinflusst maßgeblich die Qualität der Zelle. Im Anschluss durchläuft die Batteriezelle eine Reihe von End-of-Line-Tests, um die Qualität und Leistungsfähigkeit der Batteriezelle zu überprüfen und um bspw. interne Kurzschlüsse zu identifizieren. Erst wenn diese Schritte abgeschlossen sind, ist die Batteriezelle bereit um in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt zu werden.  

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