Wie werden Batterien hergestellt?

Aufbau und Funktionsprinzip der Batterien

Batterien erzeugen Elektrizität als Ergebnis einer chemischen Reaktion, die im Inneren der Zelle abläuft.  Der Schlüssel zum Zustandekommen dieser Reaktion ist die Bewegung von Elektronen. Elektronen sind negativ geladene Teilchen, die bei ihrer Bewegung elektrische Energie erzeugen. Diese Bewegung wird durch die Verwendung von zwei verschiedenen Metallen, die Leiter sind, in der Batterie ermöglicht.  Wenn diese Metalle durch eine Leitung verbunden sind, beginnt die Bewegung der Elektronen zwischen ihnen, verursacht durch die Anziehung zwischen den verwendeten Metallen, die als Anode und Kathode bezeichnet werden. Die Elektronen werden immer mit größerer Kraft von der Kathode angezogen. Die Metalle im Inneren der Batterie sind durch eine elektronenleitende Substanz, den Elektrolyt, miteinander verbunden.

In Elektroautos werden Batterien verwendet, die aus zusammengeschalteten Zellen bestehen. Die verwendeten Energieversorgungssysteme unterscheiden sich vor allem durch ihre Lebensdauer und chemische Zusammensetzung, aber auch durch ihr Gewicht. Der Batteriemarkt für Elektroautos befindet sich noch in einem dynamischen Wandel. Gegenwärtig gehören Lithium-Ionen-Batterien zu den am häufigsten verwendeten. Ihre Herstellung ist ein komplexer Prozess und erfordert die Gewährleistung der höchsten Qualität in jeder Phase. Unter den Lithium-Ionen-Batterien sind diejenigen am weitesten verbreitet, deren Zellen auf Metallen wie Nickel, Kobalt oder Mangan basieren. Zu den gängigsten Typen von Lithium-Ionen-Batterien in Elektroautos gehören Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Batterien (NMC). Lithium-Mangan- (LMO), Lithium-Eisen-Phosphat- (LFP) und Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium- (NCA) Batterien erfreuen sich deutlich geringerer Beliebtheit.

Wie entsteht eine Batterie?

Die Herstellung von Lithium-Ionen- und anderen Zellen ist durch Komplexität und einen hohen Automatisierungsgrad gekennzeichnet. Die Batterieproduktion hängt vom Batterietyp ab, aber die wichtigsten Schritte und Prozesse sind ähnlich. Im Großen und Ganzen lässt sich der gesamte Produktionsprozess in drei große „Blöcke“ von Tätigkeiten unterteilen:

1. Herstellung von Elektroden

Unabhängig vom Format und der Form der herzustellenden Batterie müssen zunächst die Elektroden hergestellt werden. In dieser Phase ist es wichtig, eine Kreuzkontamination zwischen den Materialien zu vermeiden, weshalb in der Praxis häufig eine separate Linie für die Kathode und eine separate Linie für die Anode eingerichtet wird. Die Anode wird aus graphitbeschichteter Kupferfolie hergestellt, während die Kathode aus Aluminiumfolie besteht, die mit dem gewählten Metall beschichtet ist. Die wichtigsten Phasen der Elektrodenherstellung sind:

• Mischen – umfasst die Herstellung einer so genannten Suspension, d.h. eines Gemischs aus Pulvern (Wirkstoffen) zusammen mit einem Lösungsmittel und anderen chemischen Substanzen, die als Bindemittel dienen.
• Beschichtung und Trocknung – nach der Herstellung wird die Suspension in den Beschichtungsbereich gepumpt, wo sie auf eine Metallfolie aufgetragen wird. Diese Folie kommt dann in einen Trockenofen, wo das Lösungsmittel verdampft und der Wirkstoff an die Folie gebunden wird.
• Kalandrieren – dies ist der Endbearbeitungsprozess der beschichteten Rollen. Diese bewegen sich zwischen zwei beheizten Elementen, die durch das Zusammenpressen der Rollen mit der Folie dafür sorgen, dass das Material komprimiert wird und so eine konstante Stärke, Dichte und bessere Haftung erhält.
• Schneiden – die Metallfolie durchläuft ein System von Messern, die sie in viele kleinere Stücke schneiden, die auf die Abmessungen der zu formenden Elektroden zugeschnitten sind.

2. Montage der Zellen

Während der Montage der Zelle muss eine trockene Umgebung gewährleistet sein, um die Bildung von Feuchtigkeit zu verhindern, die zu einer Verschlechterung und einem erheblichen Leistungsabfall der Elektroden führen kann. In dieser Phase werden die Elektroden zugeschnitten und in die Gehäuse eingesetzt. Die Montage der Zellen umfasst die folgenden Schritte:

• Schneiden – Beim Schneiden werden rechteckige Elektroden hergestellt. Das Schneiden erfolgt mechanisch oder per Laser.
• Stapeln – Anode, Separator und Kathode werden abwechselnd im Batteriegehäuse gestapelt. Die Stapelung ist die am häufigsten verwendete Methode.
• Montage – die in entsprechender Weise angeordneten Elektroden werden zusammengefügt und durch ein Schweißverfahren an den Hauptkontakten befestigt. Die so entstandene Elektrodenzelle wird in das Verpackungsmaterial eingelegt und versiegelt, wobei ein offener Rand zum Befüllen mit Elektrolyt verbleibt.

3. Formgebung und Qualitätskontrolle

Nach dem Zusammenbau durchläuft die Batterie eine Konditionierungsphase. Dies ist oft ein kritischer Punkt in der Produktion, da die Zelle zum ersten Mal geladen wird und eine Reihe von Tests durchläuft, um ihre Qualität und Leistung zu bestätigen. Die letzten Phasen der Batterieherstellung umfassen das erste Aufladen, die Entgasung und die Hochtemperaturalterung. Sobald diese letzte Phase abgeschlossen ist, kann das Produkt in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden.

Elektroautos werden von Lithium-Ionen-Batterien angetrieben. Diese gehören zu den beliebtesten Batterietypen, vor allem weil sie im Vergleich zu anderen Batterietypen mehr Kilometer mit einer einzigen Ladung zurücklegen können. Ihr Entstehungsprozess ist im Vergleich zu den am häufigsten hergestellten Lithiumbatterien sehr ähnlich. Charakteristisch für Batterien für Elektroautos ist, dass sie aus einer Reihenschaltung mehrerer Lithium-Ionen-Zellen bestehen, die sogenannte Module bilden. Jedes Batteriemodul enthält mehrere bis ein Dutzend Zellen, die in Reihe geschaltet sind. Die Module werden dann zu Batteriesätzen zusammengeschweißt und einer Qualitätskontrolle unterzogen.

Rohstoffe für die Herstellung von Batterien

Zu den beliebtesten Energiespeichersystemen gehören Lithium-Ionen-Batterien. Die Herstellung dieser Zellen ist komplex und erfordert die Gewährleistung der höchsten Qualität in jeder Phase. Ein wichtiger Aspekt ist die Auswahl der Rohstoffe für die Batterien, damit das fertige Produkt den Anforderungen des Marktes und den Ansprüchen der Verbraucher in vollem Umfang gerecht werden kann.

Metalle

Unter den wichtigsten Rohstoffen für Batterien sind in erster Linie Metalle wie Lithium, Cadmium, Nickel, Eisen, Zink und Mangan zu nennen. Das letztgenannte ist das am häufigsten für Lithium-Ionen-Batterien verwendete Material. Darüber hinaus werden auch Magnesium und Aluminium (als Elektroden) aufgrund ihres hohen Standardpotenzials und ihres elektrochemisches Äquivalents für Batterien verwendet. Ein weiterer Vorteil ist der relativ niedrige Preis sowie die hohe Verfügbarkeit. Damit können sie ein hervorragender Ersatz für die beliebten Elektroden aus Zink sein. Ein weiteres Metall, das in Batterien verwendet wird, ist Silber, das es ermöglicht, sichere Zellen mit hoher Energiedichte zu erhalten. Außerdem, dank der Verwendung von Silber, wird eine höhere Batteriespannung erreicht als z.B. bei Cadmium.

Metalloxide

Die Elektroden in Batterien, d.h. die Kathoden und Anoden, werden nicht nur aus Metallen hergestellt. Es werden auch Metalloxide wie Mangan(IV)-oxid oder Zinkoxid verwendet. Das aktive Material in Lithium-Ionen-Batterien ist in der Regel Lithium, das am häufigsten in Form von Oxiden in Verbindung mit Metallen wie Kobalt, Mangan, Nickel, Vanadium oder Eisen vorkommt.

Elektrolyte

Das Elektrolyt ist ein wichtiger Bestandteil von Lithium-Ionen-Batterien, das den freien Fluss der Elektronen zwischen den Elektroden ermöglicht. Elektrolyte sind in erster Linie wässrige Lösungen oder Lösungen in organischen Stoffen, die durch Auflösen einer oder mehrerer Salzarten wie Ammoniumchlorid, Zinkchlorid oder Magnesiumperchlorat entstehen.  In Alkalibatterien fungiert als Elektrolyt Kaliumhydroxid.  Das bevorzugte Produkt für das Elektrolyt von Lithium-Ionen-Batterien ist Vinylidencarbonat.  Es ist von besonderer Bedeutung für den schnell wachsenden Batterie- und Akkumulatorensektor. Hochreines (mindestens 99,99 %) Vinylidencarbonat ist in der breiten Produktpalette der Gruppe PCC erhältlich, die zu den führenden Herstellern und Lieferanten von Chemikalien und Rohstoffen für alle Branchen gehört.

Graphit

Graphit oder pulverisierter Kohlenstoff ist ein wichtiger Rohstoff für die Herstellung von Elektroden. In einigen Batterien sind Graphitstäbchen im Inneren der Konstruktion angebracht, um die aus dem Stromkreis eingehenden Elektronen zu „sammeln“ und über die Kathode zu verteilen. Darüber hinaus erleichtert Graphit aufgrund seiner Struktur die Ableitung von Gasen, die während der elektrochemischen Reaktion entstehen.

Kunststoffe

Kunststoffe wie z.B. Polyethylen oder Polypropylen sind hervorragende Materialien, aus denen Batterieseparatoren hergestellt werden. Sie trennen die Kathode und die Anode voneinander. Kunststoffe werden auch für die Herstellung der Gehäuse von Batterien verwendet.