10 Schritte im Herstellungsprozess von Lithiumbatterien
Der Herstellungsprozess von Batterien für Elektroautos
Von der Elektrodenherstellung über die Zellmontage bis zur Zellveredelung.
1. Vermischung von Materialien
Die Herstellung eines Slurry ist der erste Schritt in der Batterieproduktion. Dabei werden Materialien abgemessen, hinzugegeben und miteinander vermischt.
Aktive Materialien werden mit Bindemitteln, Lösungsmitteln, Leitadditiven und weiteren Stoffen kombiniert. Wie eine Knetmaschine mischt die Planetenkugelmühle die aktiven Materialien. Um sicherzustellen, dass die Partikel des gemischten aktiven Materials gut aneinanderhaften, benötigen wir ein Material, das sie zusammenhalten kann.
Bindemittel werden hinzugefügt, um die Haftung zwischen den Partikeln der aktiven Elektrodenmaterialien zu verbessern. Sie müssen stabile Eigenschaften aufweisen, die eine gute Haftung beim Kontakt mit Elektrolyten oder bei Redoxreaktionen mit Elektroden gewährleisten können.
2. Beschichtung und Trocknung
Beim Beschichtungsprozess werden Aluminium- und Kupferfolien mit einer Beschichtungsmaschine mit der Kathoden- bzw. Anoden-Slurryschicht beschichtet. Dies ist ein wichtiger Schritt, der viele Zellparameter bestimmt, wie gleichmäßige Leistung und eine längere Batterielebensdauer.
Um Schäden an Aluminium- und Kupferstromkollektoren (oder -folien) beim Beschichten der Elektroden zu vermeiden, ist die Steuerung der Rolle-zu-Rolle-Maschine und eine gleichmäßige und einheitliche Elektrodenbeschichtung von entscheidender Bedeutung.
Nach dem Beschichten müssen die nassen Schichten erst noch gründlich getrocknet werden, bevor die nächste Phase beginnen kann. Dieser Prozess der Trocknung durch Erhitzen oder Vakuum nimmt bis zu 48 % des gesamten Batterieherstellungsprozesses in Anspruch.
3. Verdichten
In der Walzenpressphase werden trockene und beschichtete Elektrodenschichten erneut gepresst, um die Energiedichte der Batterie zu erhöhen. Durch eine angemessen hohe Dichte können die Batteriekapazität erhöht, der interne Widerstand verringert, der Verlust der Polarisation verringert und die Lebensdauer der Batterie verlängert werden.
Die Ebenheit der Elektrodenschicht nach der Kalandrierung wirkt sich direkt auf den Verarbeitungseffekt beim Schneiden aus. Die Ebenheit des aktiven Materials auf der Elektrodenschicht wirkt sich ebenfalls auf die Leistung der Batteriezelle aus.
4. Slitting und Notching
Die in der Pressphase geglättete Elektrode ist noch einhundert bis mehrere Hundert Meter lang.
- In der Schneidphase wird die Batterieelektrode auf die richtige Batteriegröße zugeschnitten. Bei diesem zweiphasigen Verfahren wird zunächst die Elektrode vertikal geschnitten (Slitting) und dann eine V-förmige Kerbe und Laschen geformt, um positive und negative Anschlüsse herzustellen (Notching).
- Beim Notching werden unbeschichtete Teile, auf denen keine Kathoden- und Anodenaktivmaterialien aufgetragen werden, mit Einkerbvorrichtungen ausgeschnitten, sodass nur die Ecken zurückbleiben, an denen die Laschen geerdet werden.
5. Stapeln und Wickeln
Bei der Montage unterscheiden sich die Methoden zum Stapeln der Schichten und die Reihenfolge der Injektion und Abdichtung des Elektrolyts je nach Form der Batterie.
Die Methode zum Stapeln der Schichten: Stapeln (Pouch), Wickeln (Zylindrisch).
- Die Wickelmethode ähnelt der Herstellung von Papierrollen. Der Vorteil dabei ist, dass der Prozess schnell verläuft, genauso wie Sie Toilettenpapier schnell um eine Papierrolle wickeln können.
- Bei der Stapelmethode werden Batteriezellen nacheinander gestapelt. Diese Methode erfordert einen höheren Technologiegrad als die Wicklungsmethode, hat aber den Vorteil, dass weniger Verzug zwischen den Zellen entsteht und die Energiedichte ohne Leerräume in den Batteriezellen erhöht wird.
6. und 7. Befüllung und Formen
Pouch: Wenn durch Laminieren und Stapeln hergestellte Batteriebestandteile in die Elektrodentasche gelegt werden, wird der Elektrolyt in die Lufttasche injiziert, sodass die Poren in der Elektrodentasche erreicht werden. Bei diesem Prozess entsteht Gas in der Lufttasche, das später durch Entgasung entfernt wird.
Zylindrisch: Im Inneren der Hülle wird ein Vakuum erzeugt, in das die erforderliche Elektrolytmenge über eine Düse eingespritzt wird. Die Hülle wird zusammengedrückt, damit der Elektrolyt die Poren der Elektrode füllt. Nach Abschluss dieses Vorgangs müssen zuletzt noch die obere Abdeckung und die Hülle gecrimpt werden.
8. Aging und Laden
Die Batterien werden bei Raumtemperatur gelagert, sodass der beim Zusammenbau eingespritzte Elektrolyt gut in die Plus- und Minuselektroden der Batterie eindringen kann. Der Elektrolyt wird im Inneren der Batterie gleichmäßig verteilt, um ein reibungsloses Bewegen der Ionen zwischen Anode und Kathode zu gewährleisten.
Gleichzeitig werden die Batterien kontinuierlich geladen und entladen, um die Batterie zu stabilisieren. Das ist die perfekte Methode zur Qualitätskontrolle.
Das Verfahren, bei dem Batterien bei einer bestimmten Temperatur und Luftfeuchtigkeit gelagert und geladen und entladen werden, wird als Aging bezeichnet.
9. Entgasung
Während des Aging- und Ladevorgangs entsteht Gas im Inneren der Batterie. Dieses wird durch Entgasung entfernt. Nach der Entgasung werden der Aging- und Ladevorgang zwei weitere Male wiederholt, um die Ladekapazität zu prüfen und defekte Batterien zu erkennen.
10. Zusammensetzung zu Packs
Bei diesem Vorgang werden die einzeln hergestellten Batteriezellen vor der endgültigen Lieferung an die Fahrzeughersteller zu modularen Packs zusammengesetzt.