In Zeiten der globalen Erderwärmung und dem Ziel den weltweiten CO2-Ausstoß so gering wie möglich zu halten, kommt dem Bereich der Elektromobilität und damit der Entwicklung von Batterien
eine immer größere Bedeutung zu. Der bekannteste Vertreter ist dabei die Lithium-Ionen-Batterie. Für dessen Herstellung kann Crystec in Zusammenarbeit mit seinen Partnerherstellern aus Südostasien (Korea, Japan, Taiwan, China)
besonders effiziente Anlagen / Maschinen anbieten. Diese können sowohl mit manueller als auch vollautomatischer Beladung produziert werden. Dabei sind wir bei der Beschaffung einzelner Maschinen oder ganzer Produktionsstraßen gerne behilflich.
Für die Produktion der Lithiumionenbatterie ist eine Reihe von verschiedenen Fertigungsanlagen nötig, die im Folgenden aufgelistet werden:
Mixer
Mixer für die Batterieherstellung
Im Mixer wird das Anoden- bzw. Kathodenmaterial mit Additiven vermengt, aber auch Mehrschichtige Keramikkondensatoren (MLCC) oder Niedertemperatur-Einbrand-Keramiken (LTCC) können hergestellt werden.
Eine voll automatisierte In-Line-Maschine zur Integration in eine Produktionslinie, sowie einzeln stehende Geräte sind möglich.
Beschichter bzw. Coater
Beschichter für die Batterieherstellung
Die Beschichter, die ebenfalls einen Trocknungsschritt durchführen, werden zur Produktion der Separator-Membrane eingesetzt. Für die Beschichtung wird in der Regel eine Schlitzdüsenbeschichtung
gegen die Rolle ausgerichtet.
Rollen Presse
Rollen-Presse für die Batterieherstellung
Die Rollenpresse auch bekannt als Kalander wird zur Massenproduktion von Kathoden und Anoden-Material eingesetzt, welches das Herzstück der Batterieherstellung darstellt. Beim kalandrieren werden mehrere meist beheizte polierte Walzen verwendet.
Rollenschneid- und Wickelmaschinen
Rollenschneid- und Wickelmaschinen für die Batterieherstellung
Diese Anlage wird nach Bedarf hinter der Rollenpresse oder dem Beschichter eingesetzt, um die entstandenen Membran- oder Elektrodenschichten auf die Richtige Größe zuzuschneiden.
Notching Maschine
Notching Maschine für die Batterieherstellung
Die so genannte Notching Maschine zu Deutsch Einkerbemaschine stellt eine Alternative zur Rollenschneid- und Wickelmaschinen für das Schneiden Der Elektroden dar. Der Schnitt erfolgt hierbei anders als beim Rollenscheider Laser-basiert.
Stacker Anlage
Stacker für Batteriezellen
Um eine höhere Energiedichte und Lebensdauer zu erreichen, werden mehrere Batteriezellen (Vereinfacht bestehend aus Anode, Kathode und Separator) parallel geschaltet und gestapelt.
Um diesen Prozessschritt durchzuführen wird eine Stacking-Anlage benötigt bei der die gestapelten Batteriezellen in einem Laminierungsschritt, ähnlich wie bei einer Brennstoffzelle verschmolzen werden.
Verpackungsmaschine
Batterie Ummantelung
Als abschließender Schritt wird der Batteriezellenstack ummantelt. Abhängig von der herzustellenden Batterie, muss das Ganze gegebenenfalls noch versiegelt oder entgast werden.
Funktionsprinzip Batterien
Batterien müssen zunächst in primäre und sekundäre Batteriesysteme unterschieden werden. Während primäre Systeme nicht wieder aufladbar sind, können die sekundären Systeme, auch bekannt als Akku bzw. Akkumulator,
durch elektrische Energie wieder aufgeladen werden.
Aufbau
Der Lithium-Ionen-Akku setzt sich in der Regel aus mehreren in Serie oder parallel geschalteten Zellen zusammen. Dadurch kann sowohl die Nominalspannung, als auch die Kapazität der Batterie angepasst werden.
Die Verbindung erfolgt hierbei durch Verschweißen mit Nickel-Bändern. Der schichtartige Aufbau der Zelle ist in folgender Grafik veranschaulicht:
Schichtaufbau einer Li-Ionen-Zelle
Das Herzstück der Zelle bilden dabei die beiden Elektroden. Bei der negativen Elektrode wird in der Regel Grafit eingesetzt, während die positive Elektrode aus einem Lithium-Metalloxid besteht.
Die Zelle ist mit einem flüssigen Ionen-leithäfigek Elektrolyten gefüllt, in dem sich die Li-Ionen frei bewegen können. Getrennt werden die beiden Feststoffelektroden durch eine semi-permeable, also nur für Li-Ionen durchgängige, Separator-Membran.
Die Kathode befindet sich auf einer Aluminiumfolie, während die Anode auf einer Kupferfolie aufgebracht ist. Zwei verschiedene Materialien sind hier notwendig, da Aluminium an der Anode mit Li-Ionen reagieren
würde und Kupfer an der Kathode korrodiert.
Chemische Prozesse
Die Chemischen Prozesse unterscheiden sich durch die gewählten Metalloxide. Entsprechend sollen diese hier am Beispiel der CoO2- Zelle beschrieben werden:
Kathode – positive Elektrode
LiyCoO2 + x Li+ + x e- → Lix+y CoO2
An dieser Gleichung kann man schön erkennen, dass keine chemische Umwandlung der eingesetzten Materialien stattfinden, sondern nur Li-Ionen wandern.
Selbiges gilt für andere Lithium-Metalloxide.
Ladung und Entladung
Beim Ladevorgang werden, durch das Anlegen eines Potentials, positiv geladene Li-Ionen (Li+) aus dem Lithium Metalloxid gelöst und wandern zur Grafit-Anode.
Beim Entladen wandern die Lithium Ionen zurück zum Metalloxid und Elektronen können über den äußeren Stromkreis zur positiven Elektrode fließen.
Mixer für die Batterieherstellung
