Batterien für die Zukunft Die Batteriezellenproduktion wird digitaler und nachhaltiger

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Das Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion (ZDB) am Fraunhofer-IPA hat mit der ACP Systems AG eine format- und designflexible Wickelanlage für Batteriezellen in Betrieb genommen.

Batterien für Elektroautos bestehen aus mehreren Modulen, in denen viele Batteriezellen verbaut sind. Diese sind das Herzstück jeder Batterie, sagen die Forscher. Und auf sie entfalle auch der größte Teil der Wertschöpfung. Speziell zylindrische Batteriezellen – auch Rundzellen genannt – sind in den vergangenen Jahren in der Automobilbranche immer beliebter geworden, wobei der Trend zu großen Zellen geht. Das ZDB hat nun mit ACP eine entsprechende Wickelanlage für zylindrische Batteriezellen konzipiert, aufgebaut und auch in Betrieb genommen. Die Neuheit dient als vielseitige Forschungs- und Produktionsplattform, um neue Zellformate und Tab-Designs sowie fortschrittliche Methoden zur Qualitätssteigerung und Prozessoptimierung in kurzer Zeit zu erproben. Die neue Wickelanlage komplettiere damit eine europaweit einzigartige Fertigungslinie für die vollständige Montage von Batteriezellen für Lithium-Ionen- sowie für zukünftige Batterietypen (etwa Natrium-Ionen-Batterien). Das Besondere der Fertigungskette ist die Digitalisierung und Vernetzung aller Prozessschritte. Das Spektrum reicht dabei vom Beschichten, Wickeln, Assemblieren und Befüllen bis hin zum Ausformen.

Unterschiedliche Batteriezellen können hergestellt werden

Rund ein Dutzend Arbeitsschritte sind nötig, wie die Forscher betonen, bis eine solche Zelle einsatzbereit ist. Beim Wickelprozess werden die positive und die negative Elektrode zusammen mit zwei Separatoren zu einem sogenannten Wickel (Jelly Roll) aufgerollt. Dann folgt der Zusammenbau, bei dem die Jelly Roll hochpräzise geführt werden muss. Danach wird über eine durch das mittige Loch des Wickels eingeführte Stabelektrode der Wickel mit dem Becherboden verschweißt. Doch die neue Wickelanlage ist nicht nur eine Produktionsplattform für Jelly Rolls, wie es heißt. Vielmehr dient sie eben auch der Forschung im Batteriesektor. Das Alleinstellungsmerkmal der Anlage ist außerdem ihre Flexibilität. Denn man ist durch sie in der Lage, unterschiedliche Zellformate in unterschiedlichen Größen und Tab-Designs (etwa Tabless-Designs ohne angeschweißten Tab) zu fertigen. Der Tab ist ein schmales Ableiterelement an der Anode und der Kathode, durch das der Strom fließen muss. Er ist nach Aussage der Beteiligten die Engstelle in großformatigeren Zellen.

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Probleme und Vorteile von größeren Batteriezellen

Wickel und Rundzelle sind deshalb entsprechend größer als bei vergangenen Typen. Das Problem ist aber, dass je größer die Zellen sind, es umso schwieriger wird, den Strom und die Wärme abzuführen. Auf diese Herausforderung können die Forscher aber nun mit individuellen Tab-Designs reagieren, wo etwa in einem Tabless-Design die Trägerfolie aus Aluminium und Kupfer als Strom- und Wärmeableiter dient und Wärme besser abgeleitet wird als beim klassischen Tab. Innovative Zelldesigns stellen demnach die Homogenität in zylindrischen Zellen sicher und ermöglichen einsatzfähige, größere Zellen, wie sie derzeit gefordert sind. Durch größere Zellen mit mehr Aktivmaterial lassen sich schließlich eine höhere Energiedichte und somit eine größere Reichweite von Elektroautos erreichen.

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