Wissenswertes

Die Batteriezelle besteht aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), die durch einen isolierenden Separator voneinander getrennt sind. In der Batteriezelle befindet sich der Elektrolyt, der den Ionenstrom leitet. Mehrere Batteriezellen können anschließend zu Batteriemodulen oder weiterführend zu Batteriepacks gebündelt werden.

Der Elektrolyt stellt die leitfähige, meist flüssige Lösung in der Batterie dar und ermöglicht den Fluss der Ionen zwischen den Elektroden. Im Falle von Li-Ionen-Batteriezellen besteht der Elektrolyt aus organischem Lösungsmittel, Lithium-Leitsalzen und verschiedenen Additiven. Die Additive sorgen zum Beispiel für eine vorteilhaftere Benetzbarkeit, bessere elektrische Leitfähigkeit, eine erhöhte Viskosität und eine homogenere SEI-Schicht und führen somit zu einer gesteigerten Qualität und Performance der Batteriezelle. Die Befüllung mit Elektrolyt ist damit ein wesentlicher Bestandteil der Batteriezellassemblierung. Die Maschinen von IP PowerSystems können alle Zelltypen und gängigen Größen mit flüssigem Elektrolyt befüllen.

In erster Linie wird für Li-Ionen-Batterien oder Akkus natürlich Lithium für den Elektrolyt und teilweise auch für Anode und Kathode benötigt. Dieses wird durch weitere Rohstoffe wie unter anderem Kobalt (z.B. LCO, NMC), Nickel, Mangan (NMC) und Eisen (LFP) für die Kathode und Graphit oder Silizium für die Anode unterstützt.

Damit ein fertiger Akku für Elektroautos entsteht, sind mehrere Arbeitsschritte und Rohstoffe nötig.
Zuerst werden die Elektroden gefertigt. Dazu wird aus verschiedenen Materialien eine Paste (Slurry) für Anode und Kathode hergestellt. Diese Pasten werden auf die entsprechende Trägerfolie aufgebracht, getrocknet und anschließend verdichtet (Kalandrieren), zurechtgeschnitten (Slitting) und vereinzelt.
Danach folgt die Batteriezellassemblierung: es entsteht ein Zellstapel, bei dem Anode, Separator und Kathode wiederholt übereinandergelegt oder gewickelt werden. Daraufhin werden die Ableiter befestigt und der Zellstapel in einem Metallgehäuse versiegelt. Bei einer Pouch-Zelle handelt es sich hierbei meist um eine Aluminiumfolie. Es folgt das Befüllen mit Elektrolyt sowie das Formieren und Entgasen.
Anschließend können die Batteriezellen zu mehreren Modulen und schließlich zu Batteriepacks zusammengeschlossen werden. Man unterscheidet zwischen primären Batterien (nicht wieder aufladbar)und sekundären Batterien (wieder aufladbar), sogenannten Akkumulatoren.

 

Zur Befüllung von Li-Ionen-Batteriezellen benötigt man aufgrund der hohen Feuchtesensitivität von Lithium-Leitsalz einen Trockenraum, eine Glovebox oder eine hermetisch abgeschlossene Zelle. Der Elektrolyt wird mittels Dosiernadeln in die Batteriezelle gefüllt. Für eine schnellere und homogene Benetzung ohne Schaumbildung oder Kontamination der Zelle bieten wir innovative patentierte Verfahren an.

So zum Beispiel das Direct Filling Verfahren: Bei diesem Verfahren wird durch den Einsatz einer Dosierkolbenpumpe eine sehr hohe Befüllgenauigkeit garantiert. Zudem werden der Befüllstatus jeder einzelnen Zelle sowie weitere wichtige Befüllparameter live erfasst und ausgewertet. Hardcase-Zellen werden zunächst evakuiert und können anschließend mit bis zu 40 bar mit Elektrolyt befüllt. Eine zum Patent angemeldete Druckkammer schützt die Hardcase-Zellen vor dem hohen Befülldruck. Durch die direkte Rückmeldung der Zelle und den hohen Befülldruck kann wertvolle Befüllzeit gespart werden. Außerdem wird eine Kontamination der Zelle und des Arbeitsbereiches verhindert. Das Direct Filling Verfahren kommt auch für die Befüllung von Pouchzellen in der Vakuumkammer zum Einsatz. Auch in diesem Fall ermöglicht die Dosierkolbenpumpe einen präzisen Befüllvorgang komplett unabhängig davon, welches Vakuum in der Kammer herrscht. Zudem verhindert der zum Patent angemeldete Aufbau eine Auskristallisation von Leitsalz am Dosierzylinder. Dadurch kann der Wartungsaufwand und Verschleiß deutlich reduziert werden.

Um die hohen Kosten für große Trockenräume zu sparen, haben wir die Smart Battery Innovation entwickelt: ein Verfahren, bei dem Ports zur Befüllung, Formierung & Entgasung in die Pouch Batteriezellen eingeschweißt werden.

Unsere Maschinen können vollständig automatisiert werden, bieten eine kurze Evakuierungszeit, Druckwechselzyklen oder Vorwärmen des Elektrolyten sowie einer Reinigungsfunktion. Flexibel einstellbare Parameter können live verfolgt werden und bieten daher große Vorteile für Forschung & Entwicklung von Batteriezellen.

Für diesen zeit- und qualitätskritischen Prozessschritt der Batteriezellassemblierung bieten wir hochwertige Befülllösungen mit unserem Equipment an.

Durch einen elektrochemischen Prozess wird elektrische Energie in den Li-Ionen-Akkus gespeichert, um für den Betrieb eines elektrischen Geräts nutzbar zu sein. Dabei bewegen sich positiv geladene Li-Ionen als Ladungsträger zwischen den Elektroden durch den Elektrolyt und durch den Separator.

Beim Entladen, also Nutzen von Batterien oder Akkumulatoren, wandern Li-Ionen von der negativen Elektrode, der Anode, zur positiven Elektrode, der Kathode. Gleichzeitig gibt es eine Elektronenbewegung von Anode zur Kathode, um die Elektroden selbst elektrisch neutral zu halten. Die Elektronen werden dann an den Übergangsmetalloxiden der Kathode aufgenommen.
Beim Ladevorgang findet der umgekehrte Prozess statt. Die Li-Ionen wandern von positiver Elektrode zur negativen Elektrode und werden dort eingelagert. Über den äußeren Stromkreis bewegen sich die Elektronen ebenfalls von positiver zur negativen Elektrode. Nun ist der Akku wieder geladen.

Streng genommen sind die Begriffe Anode und Kathode dem jeweiligen chemischen Oxidations- bzw. Reduktionsvorgang zugeordnet. Beim Ladevorgang ist daher die eigentlich richtige Bezeichnung der negativen Elektrode Kathode und der positiven Elektrode Anode. Der Einfachheit halber und um Missverständnissen vorzubeugen, spricht man dennoch sowohl beim Entlade- als auch beim Ladevorgang von Anode als negativer Elektrode und von Kathode als positiver Elektrode.

Lithium-Ionen-Akkus haben zahlreiche Vorteile und tragen wesentlich zur globalen Elektrifizierung und damit dem Entgegenwirken des Klimawandels bei. Sie erreichen eine hohe Energiedichte und eine bemerkenswerte Hochstromfähigkeit bezogen auf Ihre Größe und das Gewicht. Sie haben einen verbesserten Ladewirkungsgrad und erlauben eine hohe Anzahl an Ladezyklen ohne Memory-Effekt.

Die Nutzung von Lithium-Ionen-Batterien bzw. Akkus steigt weiter an und ist aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Egal ob Kleinbatterien in Smartphones, Elektronikartikeln, medizinischen Geräten oder Werkzeugen; oder größere Batterien in E-Fahrrädern, Elektroautos, Flugzeugen oder Schiffen, größeren Werkzeugen und Gartengeräten – die Li-Ionen Batterie ist längst in allen Lebensbereichen angekommen. Neben der mobilen Nutzung ist auch die stationäre Nutzung in Energiespeichern immer weiter auf dem Vormarsch.

Derzeit wird noch viel an Lösungen zum Recyceln von Lithium-Ionen-Batterien geforscht. Aufgrund der steigenden Anzahl an Lithium-Ionen-Batterien, der hohen Kosten und Lieferwege des Materials zur Batterieherstellung und im Sinne der CO2-Reduktion generell wird das Recyceln von Batteriezellen, -modulen und -packs immer stärker forciert. In Europa sollen bis 2030 mindestens 70% der Batterien recycelt werden. Dabei unterscheidet man zwischen Re-Use in zum Beispiel stationären Energiespeichern oder Photovoltaikanlagen, Re-Manufacturing, also der Aufbereitung von Batteriezellen, und Recycling. Beim Recycling werden die einzelnen Bestandteile der Batterie nach der Demontage in teils aufwändigen und kostenintensiven Prozessschritten (Mechanisch, Pyrometallurgie oder Hydrometallurgie) zurückgewonnen und wieder der Batterieproduktion zugeführt. Schon jetzt stellt das Recyceln der Rohstoffe eine wichtige Säule in der Beschaffung kritischer Materialien dar.