Wie die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien funktioniert

Inhaltsverzeichnis

1.Die Grundlagen von Lithium-Ionen-Batterien
2.Rohstoffe in der Batterieproduktion
3.Herstellung der Elektroden
4.Optionen für die Zellmontage
5.Elektrolytfüllung und -versiegelung
6.Bildung und anfängliche Ladung
7.Qualitätsprüfung und Sicherheitsüberprüfungen
8.Häufige Herausforderungen in der Produktion
9.Effizienzsteigerung durch moderne Ausrüstung

Die Grundlagen von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Akkus versorgen die meisten Geräte mit Strom, die wir täglich nutzen – Handys, Laptops, Elektrofahrzeuge und Elektrowerkzeuge. Ihre weite Verbreitung verdanken sie ihrer Fähigkeit, große Mengen an Energie in einem kleinen, leichten Gehäuse zu speichern und dabei Hunderte von Ladezyklen zu überstehen.

Vereinfacht ausgedrückt funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku, indem Lithium-Ionen durch einen Elektrolyten zwischen einer positiven Elektrode (Kathode) und einer negativen Elektrode (Anode) wandern. Beim Laden fließen die Ionen in eine Richtung, während Elektronen durch den externen Stromkreis Energie speichern. Beim Entladen kehrt sich dieser Prozess um und gibt die gespeicherte Energie wieder ab.

Der gesamte Batterieherstellungsprozess ist darauf ausgelegt, den Ionentransport effizient, sicher und gleichmäßig zu gestalten. Moderne Lithium-Ionen-Batterien werden in hochkontrollierten Reinraumumgebungen gefertigt, um Verunreinigungen zu vermeiden, die die Leistung beeinträchtigen oder Sicherheitsrisiken bergen könnten.

Rohstoffe in der Batterieproduktion

Alles beginnt mit den Rohstoffen. Die Kathode besteht üblicherweise aus Lithiummetalloxiden – gängige Werkstoffe sind Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) oder Lithium-Eisenphosphat (LFP). Diese Materialien bestimmen Energiedichte, Sicherheit und Kosten.

Die Anode besteht meist aus Graphit, manchmal gemischt mit Silizium für höhere Kapazität. Ein dünner Polymerseparator trennt die Elektroden, lässt aber Ionen passieren. Der Elektrolyt ist ein in organischen Lösungsmitteln gelöstes Lithiumsalz, das die Ionen transportiert.

Stromabnehmer – Aluminiumfolie für die Kathode und Kupferfolie für die Anode – vervollständigen den Grundaufbau. Alle diese Materialien müssen von höchster Reinheit sein. Selbst geringste Verunreinigungen können später zu Leistungseinbußen oder internen Kurzschlüssen führen.

Bei der Batterieherstellung ist die Beschaffung von gleichbleibenden, hochreinen Materialien einer der größten Kosten- und Qualitätsfaktoren.

Herstellung der Elektroden

Bei der Elektrodenherstellung findet der größte Teil der Präzisionsarbeit in der Lithium-Ionen-Batterieproduktion statt.

Die Hersteller mischen zunächst die Aktivmaterialien mit Bindemitteln und leitfähigen Zusätzen zu einer Suspension. Diese Suspension wird gleichmäßig auf die Metallfolien aufgetragen – Aluminium für Kathoden, Kupfer für Anoden. Die Schichtdicke beeinflusst direkt die Kapazität und die Ladegeschwindigkeit.

Nach der Beschichtung durchlaufen die nassen Elektroden lange Trockenöfen, um Lösungsmittel zu entfernen. Anschließend werden sie durch Kalanderwalzen geführt, die die Beschichtung auf die richtige Dichte verdichten. Eine höhere Dichte bedeutet in der Regel eine bessere Energiespeicherung, muss aber so eingestellt sein, dass Ionenwege nicht blockiert werden.

Abschließend werden die breiten beschichteten Folien in schmale Streifen geschnitten, die auf das jeweilige Zellenformat zugeschnitten sind. Jegliche Grate oder unebene Kanten können in diesem Stadium Probleme bei der Montage verursachen, daher ist präzises Schneiden unerlässlich.

Moderne Batteriefertigungslinien führen diese Schritte kontinuierlich und mit hoher Geschwindigkeit aus, um die Kosten niedrig zu halten und gleichzeitig enge Toleranzen zu gewährleisten.

Optionen für die Zellmontage

Sobald die Elektroden fertig sind, nimmt die Zelle ihre Form an. Es gibt drei Hauptformen: zylindrisch, prismatisch und Pouch.

Zylindrische Zellen (wie 18650 oder 21700) werden in einem Wickelverfahren hergestellt. Anode, Separator, Kathode und ein weiterer Separator werden übereinander geschichtet und zu einer Art Spirale gewickelt, die in ein Metallgehäuse passt.

Prismatische Zellen werden ebenfalls gewickelt, jedoch in eine rechteckige Form gepresst. Pouchzellen, die in Handys und vielen Elektrofahrzeugen üblich sind, nutzen das Stapeln anstelle des Wickelns. Einzelne Anoden- und Kathodenfolien werden abwechselnd mit Trennschichten zu einem Stapel angeordnet.

Durch das Stapeln der Zellen wird eine etwas höhere Energiedichte und eine bessere Wärmeableitung ermöglicht, allerdings ist eine sehr präzise Ausrichtung erforderlich. Bei Pouch-Zellen werden Laschen verschweißt, um alle Lagen elektrisch zu verbinden, und der Stapel wird in einen flexiblen, aluminiumlaminierten Beutel eingesetzt.

Bei der Herstellung von Softpack-Batterien sind zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich – wie z. B. präzises Abkleben oder Laminieren am Zellenkopf –, um Beschädigungen zu vermeiden und eine langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Elektrolytfüllung und -versiegelung

Nach der Montage wird die Zelle in einem trockenen Raum (Taupunkt oft unter -40°C) mit Elektrolyt befüllt, da Lithiumsalze mit Feuchtigkeit reagieren.

Die Befüllung muss exakt sein – zu wenig Füllmaterial reduziert die Leistung, zu viel kann zu Aufquellen oder Leckagen führen. Bei Pouch-Zellen erfolgt der Befüllungsprozess unter Vakuum, um die Luft zu entfernen und das Eindringen des Elektrolyten in den Zellstapel zu erleichtern.

Nach dem Befüllen wird die Zelle versiegelt. Zylindrische und prismatische Zellen erhalten verpresste Metalldeckel mit Sicherheitsventilen. Pouchzellen werden an den Rändern heißversiegelt, wobei eine Stelle während der Formierung vorübergehend zum Gasaustritt offen bleibt und später endgültig verschlossen wird.

Die Dichtigkeit ist entscheidend – jede Undichtigkeit lässt Feuchtigkeit eindringen, die die Batterie mit der Zeit zerstören kann.

Bildung und anfängliche Ladung

Jede neue Lithium-Ionen-Zelle durchläuft die Formierung. Dies ist ein kontrollierter erster Lade-Entlade-Zyklus, der eine stabile Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI-Schicht) auf der Anode erzeugt. Die SEI-Schicht ist für die Langzeitstabilität unerlässlich.

Die Zellbildung verläuft langsam und temperaturkontrolliert und dauert oft Stunden oder Tage. Dabei entsteht etwas Gas, das bei Pouchzellen in einem Entgasungsschritt entfernt wird.

Nach ihrer Entstehung erreichen die Zellen typischerweiseüber 1000 vollständige LadezyklenBei geeigneter Konstruktion hängt die Funktionalität in der Praxis jedoch von der Nutzung ab.

Qualitätsprüfung und Sicherheitsüberprüfungen

Vor dem Versand wird jede Zelle einer elektrischen Prüfung unterzogen – Kapazität, Innenwiderstand, Spannungsstabilität. Viele Hersteller führen außerdem zerstörende Stichprobenprüfungen und beschleunigte Alterungstests durch.

Sicherheitsmerkmale sind eingebaut: Druckentlüftungen, Abschaltseparatoren, die bei hohen Temperaturen schmelzen, um den Ionenfluss zu blockieren, und manchmal Keramikbeschichtungen auf den Separatoren für zusätzlichen Schutz.

Die moderne Lithium-Ionen-Batterieherstellung umfasst mehrere Inline-Inspektionspunkte, die Röntgen-, optische Scan- und KI-Bildverarbeitungssysteme nutzen, um Defekte frühzeitig zu erkennen.

Häufige Herausforderungen in der Produktion

Die Skalierung der Batterieproduktion bei gleichzeitig niedrigen Kosten und hoher Qualität ist eine Herausforderung. Die Kontaminationskontrolle erfordert teure Trockenräume. Die Materialpreise – insbesondere für Lithium, Kobalt und Nickel – schwanken stark.

Die Ausbeute ist von entscheidender Bedeutung. Ein geringer Rückgang von 99 % auf 95 % kann eine Fabrik unrentabel machen. Das Wärmemanagement in Schnellbeschichtungs- und Trocknungsanlagen erfordert sorgfältige Planung.

Sicherheit hat weiterhin höchste Priorität. Selbst seltene Fehler werden eingehend untersucht, daher sind die Prozesse mit mehrfach redundanten Sicherheitsvorkehrungen ausgestattet.

Effizienzsteigerung durch moderne Ausrüstung

Mit steigender Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien setzen die Fabriken verstärkt auf hochautomatisierte Anlagen, um Geschwindigkeit, Präzision und Ausbeute zu verbessern.

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