Lithium-Ionen-Akkus sind heute die Schlüsseltechnologie für mobile Geräte, Elektromobilität und Energiespeicher. Ihre Fertigung ist ein hochkomplexer Prozess, der von der Materialauswahl über die Zellproduktion bis hin zur Endmontage reicht. Im Folgenden wird ein detaillierter Überblick über die wichtigsten Schritte gegeben.
Materialien und Grundlagen
Die Leistungsfähigkeit eines Lithium-Akkus hängt maßgeblich von den eingesetzten Materialien ab:
- Anode: Meist Graphit, zunehmend auch Silizium-Graphit-Komposite für höhere Kapazität
.Kapazität
Dies beschreibt die Fähigkeit elektrische Ladung zu speichern.
- Kathode: Mischoxide wie NMC (Nickel-Mangan-Kobalt) oder LFP (Lithium-Eisenphosphat).
- Elektrolyt: Flüssige Lithiumsalze in organischen Lösungsmitteln oder zunehmend feste Elektrolyte.
- Separator: Dünne Polymerfolien, die Anode und Kathode elektrisch trennen, aber Ionenfluss ermöglichen.
Fertigungsschritte
Elektrodenherstellung
- Beschichtung von Metallfolien (Kupfer für Anode, Aluminium für Kathode) mit aktiven Materialien.
- Trocknung und Kalanderung zur Verdichtung und gleichmäßigen Schichtdicke.
- Qualitätskontrolle durch optische und elektrische Prüfungen.
Zellassemblierung
- Zuschneiden der Elektroden und Stapeln oder Wickeln zu Zellformaten (Pouch, Rundzelle, Prismatisch).
- Einfügen des Separators zwischen Anode und Kathode.
- Einbringen des Elektrolyts unter Reinraumbedingungen.
- Hermetisches Verschließen der Zelle durch Schweißen oder Verpressen.
Formierung und Test
- Erstladung der Zellen zur Bildung der SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase) auf der Anode.
- Mehrere Lade- und Entladezyklen zur Stabilisierung der Zellchemie.
- Messung von Kapazität
, Innenwiderstand und Sicherheitseigenschaften.Kapazität
Dies beschreibt die Fähigkeit elektrische Ladung zu speichern.
Montage zu Batteriepacks
Einzelne Zellen werden zu Modulen und Batteriepacks kombiniert:
- Mechanische Integration mit Kühlstrukturen und Gehäusen.
- Elektrische Verschaltung in Serie und Parallel zur gewünschten Spannung und Kapazität
.Kapazität
Dies beschreibt die Fähigkeit elektrische Ladung zu speichern.
- Einbau von Batteriemanagementsystemen (BMS) zur Überwachung von Temperatur, Spannung und Strom
.Strom
Der elektrischen Strom ist der Fluss von Elektronen durch einen Leiter.
Qualitätssicherung
- Prüfung auf Kurzschlüsse, Leckagen und mechanische Defekte.
- Langzeittests zur Bestimmung von Zyklenfestigkeit und Alterungsverhalten.
- Rückverfolgbarkeit durch Seriennummern und digitale Produktionsprotokolle.
Herausforderungen und Innovationen
- Reduktion von Kobaltanteilen zur Kosten- und Nachhaltigkeitsoptimierung.
- Automatisierung der Fertigung für höhere Stückzahlen und geringere Fehlerquoten.
- Entwicklung von Festkörperakkus mit höherer Energiedichte und verbesserter Sicherheit.
- Recyclingprozesse zur Rückgewinnung von Lithium, Nickel und Kobalt.
Die Fertigung von Lithium-Akkus ist ein hochpräziser Prozess, der kontinuierlich weiterentwickelt wird. Fortschritte in Materialwissenschaft, Automatisierung und Recycling bestimmen die Zukunft dieser Schlüsseltechnologie.
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Weiterführende Quellen
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