Materialverarbeitung für Lithium-Ionen-Batterien

Was steckt in einem Lithium-Ionen-Akku?

Lithium-Ionen-Batterien haben heutzutage alle Formen und Größen. Unabhängig von der Größe oder Form der Batterie sehen sie jedoch alle im Inneren gleich aus. In jedem Li-Ionen-Akku sind bestimmte Dinge vorhanden:

· Lithium-Ionen-Zellen. Sie können entweder wie herkömmliche AA-Batterien zylindrisch geformt oder prismatisch geformt sein.

· Temperatursensoren zur Überwachung der Batterietemperatur. Überhitzung kann katastrophale Folgen haben.

· Spannungswandler und Reglerschaltung. Dies dient dazu, ein sicheres Niveau der Spannung und des Stroms im Akkupack aufrechtzuerhalten.

· Spannungsabgriff, der als Monitor für die Energiekapazität jeder einzelnen Zelle im Akkupack dient.

· Batterieladezustandsüberwachung. Welches ist ein kleiner Computer, der den gesamten Ladevorgang übernimmt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Batterien so schnell und sicher wie möglich aufgeladen werden.

· Manchmal befindet sich im Akkupack ein zusätzlicher, optional abgeschirmter Anschluss, über den Strom und Informationen in den Akku und aus dem Akkupack fließen können.

Wenn der Akku während des Ladevorgangs oder sogar während des Gebrauchs zu heiß wird, schaltet der Computer (Batterieladezustandsmonitor) den Stromfluss ab, um die Dinge abzukühlen. Wenn Sie versuchen, Ihr Gerät in diesem heißen Zustand zu verwenden, verhindert dieser Computer, dass Sie es verwenden, und verhindert sogar, dass Sie das Gerät selbst einschalten.

Die Lithium-Ionen-Zellen

Die Lithium-Ionen-Zellen haben ein Außengehäuse aus Metall. Es ist wichtig, Metall in den Li-Ionen-Zellen zu verwenden, da die Batterie unter Druck steht. Das Metallgehäuse hat ein sogenanntes Entlüftungsloch. Welches ist im Grunde ein druckempfindliches Loch. Falls die Batterie zu heiß wird, um Explosionsgefahr zu verursachen, gibt dieses Entlüftungsloch den zusätzlichen Druck ab, um die Situation zu retten.

Im Metallgehäuse befinden sich drei dünne Blechschichten:

· Eine positive Elektrode.

· Eine negative Elektrode.

· Ein Trennzeichen zwischen den beiden.

Diese drei dünnen Schichten werden in ein organisches Lösungsmittel getaucht, das hauptsächlich aus Äther besteht. Dieses Lösungsmittel wirkt als Elektrolyt für die Batterie.

Wie macht man einen Lithium-Ionen-Akku?

Das Erstellen eines Li-Ionen-akkus erfolgt in wenigen einfachen Schritten:

Elektrodenvorbereitung

· In diesem Schritt wird das Material, das auf die Anode und die Kathode aufgetragen wird, gemischt und vorbereitet.

· Rohe metallische Materialien, hauptsächlich Aluminium, werden in die Beschichtungsmaschine geladen.

· Anschließend werden dünne Schichten aus Lithium und Kohlenstoff aufgetragen und der Maschine hinzugefügt.

· Durch einen kontinuierlichen Prozess wird das Material einem Ofen zugeführt, in dem Kohlenstoff behandelt wird.

· Nach dem Ofenprozess wird das Produkt zwei getrennten Leitungen zugeführt, in denen die Anode und die Kathode mit jeweils einer eigenen Leitung hergestellt werden.

· Nachdem die Elektroden (Anode und Kathode) hergestellt wurden, werden sie einer Maschine zugeführt, wo sie zu dünnen Schichten zusammengedrückt werden, damit sie faltbarer sind.

· Der letzte Schritt dieses Prozesses ist der Schneidprozess, bei dem die Elektroden auf die vom Hersteller angegebene Breite geschnitten werden.

Elektrodenerzeugung

· Bei diesem Vorgang werden die Elektroden entnommen und auf die richtige Größe gerollt.

· Sobald Anode und Kathode auf die perfekte Größe zugeschnitten sind, werden sie in Paaren von genau gleichen Größen aufeinander abgestimmt.

· Danach wird eine dünne Schicht zwischen ihnen eingefügt (der Separator).

· Die gesamten drei Schichten (Anode, Kathode und Separator) werden in einer halbautomatischen Maschine zusammengefaltet.

Elektrolytinsertion

· Nach dem Vorbereiten der Elektroden im vorherigen Schritt. Gehäuse für sie ist gemacht.

· Zur Herstellung des Gehäuses für die Elektroden werden Kunststoffe oder PVC-Materialien verwendet.

· Die Elektroden werden dann in diese Gehäuse eingeführt.

· Sie werden an drei Seiten thermisch zusammengeschweißt, während die vierte Seite offen bleibt.

· Über die offene Seite wird der Elektrolyt in den gesamten Aufbau eingeführt.

· Danach wird die offene Seite versiegelt.

Jetzt haben Sie einen Li-Ionen-Akku, der zum ersten Aufladen bereit ist.

Herausforderungen bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien bieten ein großes Potenzial für die Elektrifizierung der Automatisierung, die Vielfalt der Energiequellen und die Ermöglichung großer Mengen an Energiespeichern im Netzmaßstab. Die Kosten für die Herstellung von Li-Ionen-Batterien in großem Maßstab sind jedoch so hoch, dass Hersteller diesen Traum nicht schneller suchen können.

Wenn wir uns den Automobilmarkt und Elektrofahrzeuge ansehen, sind die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien viel höher als von diesem Markt akzeptiert. Es ist so hoch, dass Elektrofahrzeuge noch nicht den Punkt erreicht haben, konventionelle Autos zu ersetzen. Sie sind immer noch teurer.

Kostensenkung ist durch die sogenannte Optimierung von Fertigungsschemata möglich.

Eine weitere Möglichkeit zur Kostenreduzierung ist der Ersatz des NMP-Elektrolyten in den Li-Ionen-Batterien durch Wasser. Die Kosten für Wasser als Lösungsmittel sind im Vergleich zur NMP-Verbindung vernachlässigbar. Darüber hinaus ist Wasser weder brennbar noch hat es brennbare Dämpfe, was es zur sichereren Wahl als das NMP macht. Das Problem, mit dem die Hersteller bei Wasser konfrontiert sind, besteht darin, dass Wasser ein polares Lösungsmittel ist und dass in der Batterie ein unpolares Lösungsmittel wie das NMP benötigt wird. Die Herstellung von Wasser zu einem unpolaren Lösungsmittel kann jedoch über einige chemische Reaktionen und Additive erfolgen.

Die Forschung konzentriert sich nun darauf, wie die Kosten der Li-Ionen-Batterien gesenkt werden können. Wir gehen davon aus, dass die Zukunft große Erwartungen hat und die Kosten nahezu so gering sein werden, dass Li-Ionen-Batterien überall eingesetzt werden, von der einfachen Fernbedienung bis zum Flugzeug.