Arten von Lithiumbatterien: Lithiumzellenformat
Zylindrische Lithiumzellen
Wie man leicht erkennen kann, sind zylindrische Zellen zylinderförmig, am weitesten verbreitet und gehörten zu den ersten, die in Serie gefertigt wurden. Sie können unterschiedliche Durchmesser haben, wobei die 1865 die gängigste ist. Die Zahl 18 steht dabei für den Durchmesser (18 mm) und die Zahl 65 für die Länge (65 mm). Es gibt jedoch auch andere Formate, wie beispielsweise die 2170 oder die jüngst von Tesla, dem Pionier der Lithium-Batterien für Elektroautos, eingeführte 4680, die im Tesla Model Y zum Einsatz kommt. Abgesehen von einigen wenigen Autoherstellern, die sich für diese Bauform entschieden haben, werden zylindrische Zellen routinemäßig in mittelgroßen bis kleinen Akkupacks verwendet , z. B. in der Mikromobilität (Fahrräder, Roller und Motorroller), in tragbaren Werkzeugen, medizinischen Geräten usw.
Lithium-Pouch-Zellen
Diese Lithiumzellen werden aufgrund ihrer beutelartigen Form so genannt. Sie sind leicht und da sie von Natur aus nicht robust sind, müssen während der Modulproduktion spezielle Schutzmaßnahmen, wie beispielsweise Aluminiumrahmen, integriert werden, um ihnen Stabilität zu verleihen. Sie sind in verschiedenen Größen erhältlich, die je nach Herstelleranforderungen angepasst werden können. Diese Zellen werden hauptsächlich in Smartphones, Drohnen, Laptops und der Automobilindustrie eingesetzt.
Prismatische Lithiumzellen
Prismatische Lithiumzellen besitzen ein massives, rechteckiges Gehäuse aus Aluminium oder einem sehr widerstandsfähigen Kunststoff. Die internen Komponenten sind geschichtet. Sie sind in verschiedenen Größen und Formaten erhältlich, je nach Anwendungsbereich. Ihre einzelnen Komponenten können eine hohe Kapazität erreichen. Aufgrund ihrer Struktur eignen sich prismatische Zellen besonders für die Herstellung von Lithiumbatterien für den Maschinenbau, die Nutzfahrzeugindustrie und den Energiespeichersektor , die typischerweise mittlere bis hohe Kapazitäten erfordern.
Die Vor- und Nachteile der verschiedenen Zelltypen wurden bereits besprochen, aber nur wenige Menschen erkundigen sich nach dem Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batteriezellen und wie dieser funktioniert.
Obwohl die vielen Zelltypen, aus denen eine Lithiumbatterie besteht, von außen betrachtet sehr unterschiedlich erscheinen, ist es erstaunlich, wie ähnlich sich ihr Inneres tatsächlich ist. Die unterschiedlichen Arten der Batteriezellfertigung und -montage sollen nun näher beleuchtet werden.
Technischer Vergleich
Zylindrische Zellen werden üblicherweise in Standardgrößen gefertigt. Eine gängige Größe ist der Typ 18650 (18 mm Durchmesser, 65 mm Höhe) . Dieser Typ hat eine Gesamtmasse von etwa 45 Gramm und kann je nach verwendeter Technologie eine Kapazität von etwa 1.2 bis 3 Ah aufweisen.
Beutelzellen haben eine weiche Konstruktion, die die Verwendung einer Stützstruktur bei diesen Zellen erfordert. Außerdem sollte die Zelle nicht in der Nähe von scharfen Kanten platziert werden. Der ungefähre Zellkapazitätsbereich beträgt 2.5–8 Ah, und das ungefähre Gewicht beträgt 75–225 g.
Prismatische Zellen werden mit Kapazitäten von wenigen Amperestunden (Ah) für Laptops und Mobiltelefone bis hin zu Hunderten von Ah für Elektrofahrzeuge hergestellt . Das Gewicht liegt zwischen 0.8 und 5.2 kg.
Prismatische Zellen sind die beste Wahl für Gabelstaplerbatterien
Die Unterschiede in der Batterietechnologie ermöglichen es den Kunden heute, die beste Lösung für ihre Anwendungen zu wählen. Somit sind prismatische Lithiumzellen die bevorzugte Technologie für Flurförderzeuge (MHE):
Hunderte von Amperestunden Nennkapazität. Die Technologie bietet das beste Verhältnis von Leistung und Energie pro Volumeneinheit. Dies ist besonders wichtig bei den in Mikroheizkraftwerken eingesetzten Hochleistungs-, Hochstrom- und Niederspannungsbatterien.
Optimale Ausnutzung des verfügbaren Platzes im Akkupack. Zwischen den Zellen befinden sich keine Hohlräume. Dies ermöglicht eine maximale Kapazität des Akkupacks und bietet gleichzeitig genügend Platz für zusätzliches Gewicht, Abdichtung, Heizung, internes Ladegerät oder andere Akku-Upgrades im begrenzten Raum des Akkufachs.
Die Kontakte sind ausreichend robust für eine zuverlässige Stromschienenverbindung. Dies ist ein enorm wichtiger Sicherheitsfaktor bei Anwendungen mit starken Vibrationen, insbesondere bei Gabelstaplern mit Vollgummireifen.
Flexibles Batteriegewicht. Das Gewicht des Lithium-Ionen-Akkus ist für die meisten Flurförderzeuge hinsichtlich ihrer Reichweite pro Ladung nicht limitierend (anders als bei Elektrofahrzeugen für den Personenverkehr). Gabelstapler verkehren meist in der Nähe ihrer Ladestationen, und ihre Batterien sind oft als Gegengewicht ausgelegt.
Stapeln einzelner Bleche
Bei dieser Lösung werden die Anoden-, Kathoden- und Separatorbleche einzeln mit einem Roboterarm geschnitten und dann übereinander gestapelt, bis die gesamte Lithiumzelle entsteht.
Die beiden anderen Konstruktionstechniken führen jedoch zu einem einzigen Blatt, das auf verschiedene Weise auf sich selbst gerollt werden kann.
Z-Faltungsprozess
Bei der als Z-Faltung bekannten Faltmethode werden die Anoden und Kathoden in Bleche geschnitten, während der Separator durchgehend bleibt. Dabei werden die Anoden- und Kathodenbleche zunächst geschnitten und dann in den Separator eingelegt, eine Endlosrolle, die die beiden Elektroden mittels Z-Faltung getrennt hält.
Walzvorgang
Der Walzprozess besteht aus dem Zusammenwalzen von vier Materialbahnen, die zuerst übereinander gestapelt werden (Anodenbahn + Separator + Kathodenbahn + Separator) und dann auf eine zylindrische oder eiförmige Basis gerollt werden, um die typische Form des Prismas oder Zylinders zu erhalten Zelle Fall.
Wie bereits dargestellt, können die Montageverfahren unterschiedlich sein, aber die Zusammensetzung der Batteriezellen bleibt gleich. In den Bildern der verschiedenen Montageprozesse ist zu sehen, wie die Anode eine braune Grundfarbe hat, da die Beschichtung auf einer dünnen Kupferschicht abgeschieden wird. Dann kommt der Kunststoff- oder Keramikseparator und schließlich die Kathode, die grau ist, da sie auf einer Aluminiumschicht abgeschieden ist.