Alles geht ruckzuck und zickzack. Ganz automatisch. Die innovative Faltung mit speziell beschichteten und zueinander ausgerichteten Materialbahnen wird einfach bis zur gewünschten Stapelhöhe ausgeführt. Das automatisierte Verfahren ermöglicht es, Zellen mit einer hohen Energiedichte und in schneller Taktung herzustellen.
Lithium-Ionen-Akkus gelten als Hoffnungsträger für die Mobilität der Zukunft und die kurzfristige Speicherung von Ökostrom. Darum gilt es, die Herstellungskosten immer weiter zu reduzieren. Die automatisierte Zellproduktion ist teuer, weil sie mit hohen Qualitätsanforderungen, sensiblen Materialien und hoher Taktung bislang (noch) nicht ausgereift ist.
Ein zentraler Prozessschritt der Zellfertigung, Techniker nennen sie Assemblierung, ist genau die Stapelbildung: Anode, Kathode und Separatoren fusionieren zu einem Zellstapel. Häufig werden die Schichten einzeln gestapelt. Die gestanzten Materialien werden so blattweise übereinandergelegt, wodurch sich zwar eine hohe Energiedichte ergibt, gleichzeitig aber ein hoher Fertigungsaufwand entsteht.
Vakuumiert und mit Elektrolyt befüllt
Wissenschaftler am WBK Institut für Produktionstechnik am Karlsruher KIT arbeiten nun mit einem neuen Stapelansatz: Vier Materialbahnen werden wie im Zickzack übereinandergefaltet. Durch die Verwendung beschichteter Elektrodenbahnen mit Beschichtungslücken kann kein Aktivmaterial an den Falzkanten abplatzen. Zudem dienen diese Bereiche später als Zellableiter. Die Anode ist beidseitig beschichtet und wird von zwei Separatorbahnen umschlossen.
In einem Winkel von 90 Grad versetzt wird die einseitig beschichtete Kathode daraufgelegt. Zur Stapelbildung wird zuerst die dreilagige Materialbahn abgelegt, darauf die Kathodenbahn geschichtet und direkt zurückgefaltet, sodass sie doppellagig mit der Beschichtung nach außen liegt. Darüber werden wiederum die drei Lagen gefaltet. Diese Abfolge wird bis zur gewünschten Stapelhöhe kontinuierlich wiederholt, wobei die Lagenanzahl von den gewünschten elektrischen Kennwerten der fertigen Zelle abhängt. Der Zellstapel wird schließlich mit Kontakten versehen, verpackt, vakuumiert und mit Elektrolyt befüllt. Ein erster prototypischer Demonstrator des Verfahrens wurde bereits am Institut gebaut.
Die Materialbahnen liegen bereit, einen ersten Demonstrator gibt es bereits.
So funktioniert das Prinzip der Assemblierung: Schritt für Schritt zum Stapel.
Immer falten, bis die gewünschte Höhe erreicht ist.
