Lithium-Ionen-Batteriezellen bestehen zu einem wesentlichen Teil aus Elektroden, die sauber übereinanderliegen liegen müssen. In der industriellen Herstellung ist der Aufbau dieses Elektrodenstapels bislang ein technisch und zeitlich besonders aufwändiger Prozess. Viele aufeinanderfolgende Handhabungsschritte und Qualitätskontrollen verlangsamen den Stapelaufbau, sind zur präzisen und beschädigungsfreien Positionierung und Fixierung der Elektroden im Stapel jedoch notwendig. Aufgrund der herausfordernden Positionierung und Fixierung ist die bisherige Stapelbildung der wesentliche Engpass der Batteriezellproduktion und verhindert damit eine kostengünstige und durchsatzstarke Serienfertigung. Zur deutlichen Steigerung der Geschwindigkeit und gleichzeitigen Vermeidung von Beschädigungen in der Stapelbildung wurde an der Technischen Universität Braunschweig ein innovatives Verfahren entwickelt.
In dem entwickelten Verfahren werden die Elektroden im Stapel in Hochgeschwindigkeit positioniert und fixiert. Dazu wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das in den zu stapelnden Elektroden Wirbelströme auslöst. Diese Wirbelströme bilden wiederrum eigene elektromagnetische Felder aus, die dem erzeugenden Feld entgegengerichtet sind. Aus dem Zusammenwirken aller elektromagnetischen Felder ergeben sich Kräfte, die die Elektroden auf dem Stapel präzise positionieren und sicher fixieren. Dabei wirken die Kräfte unverzüglich und kontaktlos, sodass die Prozesszeit der Stapelbildung minimiert und Beschädigungen der Elektroden verhindert werden.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens: Es benötigt weder Druckluft oder andere Prozessmedien, noch den Einsatz von Motoren oder beweglichen Komponenten und ist damit der bislang etablierten Positionierung und Fixierung in der Stapelbildung überlegen.
Flexibel einsetzbar für unterschiedlichste bestehende und zukünftige Elektrodenmaterialien und -größen
Am Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik wurde zur Erprobung ein Prototyp gebaut. Anhand dessen konnten die deutlichen Verbesserungen gegenüber der bisherigen Stapelbildung in verschiedenen Experimenten nachgewiesen werden. Die Experimente und weitere Simulationen zeigen zudem, dass die erreichte Hochgeschwindigkeits-Stapelbildung flexibel für unterschiedlichste bestehende und zukünftige Elektrodenmaterialien einsetzbar und auf die großen Elektrodenformate der Industrie skalierbar ist. Im Ergebnis steigert das entwickelte Verfahren sowohl die Geschwindigkeit als auch die Qualität in der Stapelbildung und ist damit eine Schlüsseltechnologie zur wirtschaftlich effizienten Batteriezellproduktion.
Die Technische Universität Braunschweig hat die beschriebene Hochgeschwindigkeits-Stapelbildung auf Basis elektromagnetischer Felder zur Patentanmeldung eingereicht und strebt eine industrielle Verwertung in der nationalen und europäischen Batteriezellproduktion an.
Weitere Informationen: https://www.tu-braunschweig.de/iwf/fup/mofa/forschungsprojekte/prolima
