Batteriegrundlagen

Batterien einfach erklärt

Grundlegend können Batterien in zwei Arten unterteilt werden: Primärbatterien und Sekundärbatterien. Primärbatterien werden im geladenen Zustand produziert und können nur ein einziges Mal entladen werden. Danach müssen sie recycelt werden. Sekundärbatterien, auch Akkumulatoren oder kurz Akkus genannt, sind mehrfach wiederaufladbar. Sie kommen daher in verschiedensten mobilen Geräten wie Laptops, Smartphones, Hochleistungswerkzeugen oder Elektroautos zum Einsatz. Als Sekundärbatterien werden heute oft Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt.

Lithium-Ionen-Batterie

Eine sekundäre, d. h. wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie besteht im Wesentlichen aus vier Komponenten: zwei Elektroden, einem flüssigen Elektrolyten und einem Separator. Die Elektroden stellen dabei die Struktur zur Verfügung, in denen die Lithium-Ionen eingelagert werden können. Durch den Elektrolyten werden die Lithium-Ionen von der einen zur anderen Elektrode und auch umgekehrt transportiert. Der Elektrolyt besteht dabei aus einem organischen Lösungsmittel, in dem ein Lithium-Salz gelöst ist. Bei der Einlagerung von Lithium-Ionen werden gleichzeitig Elektronen aufgenommen und diese bei der Auslagerung wieder abgegeben. Verbindet man die Elektroden über einen äußeren Stromkreis  miteinander, verursachen die Elektronen in dem Stromkreis einen Elektronenfluss, also Stromfluss. Dadurch kann ein elektrisches Gerät betrieben werden. Damit kein direkter Kontakt – ein sogenannter Kurzschluss – zwischen den Elektroden entsteht, werden diese durch einen Separator voneinander getrennt. Der Separator besteht aus einer porösen, elektrisch nicht leitfähigen Struktur, die mit dem Elektrolyten gefüllt ist.

Als Elektroden werden häufig Graphit für die negative Elektrode sowie Lithiumcobaltoxid (LiCoO2) für die positive Elektrode verwendet. Beim Ladevorgang wandern die Lithium-Ionen von der positiven Elektrode über den Elektrolyten zur negativen Elektrode, wo sie eingelagert werden. Dabei fließen Elektronen vom Lithiumcobaltoxid über den äußeren Stromkreis zum Graphit. Beim Entladevorgang finden die Prozesse in entgegengesetzter Richtung statt, d. h. die Lithium-Ionen wandern vom Graphit durch den Elektrolyten zum Lithiumcobaltoxid. Dabei fließen Elektronen vom Graphit üben den äußeren Stromkreis zum LiCoO2.

Für heutige Lithium-Ionen-Batterien existieren viele unterschiedliche Arten von Elektroden, Elektrolyten und Separatoren. Je nach Anwendung müssen sie unterschiedlichen Anforderungen genügen. Elektroautos benötigen zum Beispiel eine hohe Energiedichte, damit das Auto lange fahren kann. Gleichzeitig benötigt es eine hohe Leistungsdichte für eine schnelle Beschleunigung. Durch die jeweiligen Materialien variieren die Kenndaten der Batterie, wie Zellspannung, Temperaturempfindlichkeit oder der maximal erlaubte Lade- oder Entladestrom. Je nach Materialkombination können daher verschiedene Anwendungsgebiete von mobilen Geräten wie Laptops oder Smartphones über Elektrofahrzeuge bis zu stationären Energiespeichern bedient werden. Es fließt Strom.

PRODUKTION EINER LITHIUM-IONEN-BATTERIE

Bei der  Produktion einer Lithium-Ionen-Batterie gibt es drei Hauptprozesse: die Elektrodenfertigung, die Zellassemblierung, d. h. der Zusammenbau der einzelnen Komponenten zu einer Batteriezelle, sowie die Formierung. Vereinfacht gesprochen, handelt es sich bei der Formierung um die erste gezielte elektrische Inbetriebnahme der Zellen. Die Elektrodenfertigung und die Formierung sind bei allen Batteriezelltypen gleich. Beim Zusammenbau der einzelnen Komponenten gibt es aber Unterschiede. Es wird zwischen gestapelten und gewickelten Zellen unterschieden.
Zur Elektrodenfertigung werden zuerst die Ausgangsmaterialien miteinander gemischt und zu einer homogenen Paste, der sogenannten Slurry, verarbeitet. Meist sind die Ausgangsmaterialien das Elektrodenmaterial, Leitruß zur Steigerung der Leitfähigkeit, Lösungsmittel und Binder. Der Binder macht die Elektrode flexibler und verleiht ihr gleichzeitig mehr Stabilität. Der Slurry wird anschließend gleichmäßig auf beide Seiten einer Metallfolie aus Kuper- oder Aluminium aufgetragen. Nach der Beschichtung werden die Folien bei Temperaturen zwischen etwa 80 °C und 160 °C getrocknet, um das Lösungsmittel zu entfernen. Eine solche beschichtete Folie ist etwa einen Meter breit und mehrere 100 Meter lang. Zur Verdichtung werden die beschichteten Metallfolien durch eine oder mehrere rotierende Walzenpaare geführt. Je größer dabei der Druck der Walzen, desto dichter wird die Folie. Das verbessert den Kontakt zwischen den einzelnen Komponenten. Dieser Prozess wird als Kalandrieren bezeichnet. Nach dem Kalandrieren wird die beschichtete Folie weiter getrocknet. In einem Ofen unter Vakuum wird die Restfeuchte aus Lösungsmittel und Wasser auf ein Minimum reduziert. Die getrockneten Elektroden werden dann noch in einem Trockenraum mit einer Luftfeuchtigkeit von weit unter 1 % gelagert, bis sie später zu Zellen zusammengebaut werden.
Bei der Zellassemblierung unterscheiden sich die einzelnen Prozessschritte, je nachdem, ob gestapelte oder gewickelte Zellen produziert werden. Für gestapelte Zellen werden die Elektroden vereinzelt, das heißt sie werden in die benötigte Größe geschnitten. Beim sogenannten Stapeln werden immer nacheinander Anode, Separator, Kathode, Separator, usw. aufeinandergelegt. Anschließend werden die jeweiligen Metallfolien elektrisch kontaktiert. Der Zellstapel wird danach in eine Verpackung, den sogenannten Pouchbeutel, eingebracht. Nach der Befüllung mit einem flüssigen Elektrolyten wird die Zelle versiegelt.
Bei der Zellassemblierung von gewickelten Zellen hingegen werden die Elektrodenfolien nicht wie bei gestapelten Zellen vereinzelt. Es werden eine Anodenfolie, eine Separatorfolie, eine Kathodenfolie und noch eine Separatorfolie übereinandergelegt und zu einer sogenannten Jelly-Roll gewickelt. Anschließend werden auch hier die Metallfolien kontaktiert und die Jelly-Roll in eine Verpackung eingebracht, hier meist ein Metallgehäuse, mit Elektrolyt befüllt und versiegelt.
Der letzte Schritt zur Batteriezelle ist die Formierung. Bei der Formierung werden die ersten Lade- und Entladezyklen unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt. Während der Formierung wird eine Schutzschicht auf den Elektroden aufgebaut, die sogenannte Solid Electrolyte Interface – kurz SEI. Sie schützt die Elektroden vor unerwünschten Reaktionen mit dem Elektrolyten. Die Beschaffenheit der SEI ist dabei entscheidend für die Langlebigkeit der Batteriezelle.
Die fertigen Batteriezellen werden letztendlich je nach Anwendungsfall miteinander verschaltet, d. h. zu einem Batteriepack zusammengebaut. Außerdem werden die fertigen Batteriepacks mit einer Zustandsüberwachung und –steuerung, dem sogenannten Batterie-Management-System, versehen.

Wiederaufladbare Batterien

Neben Lithium-Ionen-Batterien gibt es viele weitere Arten von wiederaufladbaren Batterien. Eine Liste der verschiedenen Sekundärbatterietechnologien, ihre potenziellen Anwendungsgebiete, deren aktueller Stand der Technik sowie ihre generellen Vor- und Nachteile finden Sie im Lexikon des Batterieforums-Deutschland.