Batteriefertigung: Prozessschritte von Alkaline bis Lithium-Ionen

Allgemeiner Fertigungsablauf (Primärzellen – Beispiel Alkaline-Mangan)

Die Batteriefertigung variiert nach System (Primär: Alkaline, Zink-Kohle, Lithium-Primär; Sekundär: Li-Ion, NiMH, Blei-Säure, Na-Ion). Am Beispiel der Alkaline-Mangan-Zelle (LR6/AA):

1. Kathodenherstellung (Kathodendose = Kathode + Gehäuse):
   • Stahlblech (verzinkt/nickelfrei) → Tiefziehen → Dose (Kathode).
   • Innenseite: Leitlack (Graphit) für Kontakt & Korrosionsschutz.
   • Kathodenmasse: MnO₂ (EMD/CMD), Graphit (Leitfähigkeit), Binder (PTFE) → Kompaktierung in Dose (Pressen / Walzen).
2. Separator einbringen: Vlies (Zellulose/PP/PE-Mikroporös, mehrlagig) – verhindert Kurzschluss, ionenleitend. Oft als Endlosband, abgelängt, in Dose eingesetzt.
3. Elektrolytbefüllung: KOH-Lösung (30–40 %) + ZnO (Passivierung). Vakuum-Injektion oder Tränkung Separator.
4. Anode (Zink-Gel) füllen: Zinkpulver (hohe Reinheit, Partikelgröße gesteuert) + KOH-Gel + Quellmittel (CMC) + Hg-freie Korrosionsinhibitoren (Indium, Bismut). In Hohlraum (Innenraum des Separators) dosiert.
5. Dichtung (Sealing): Messingstift (Stromabnehmer, „Current Collector“) + Dichtring (Nylon/PTFE) + Stahlblechdeckel → Verpressen (Crimpen) → gasdicht, aber mit Sicherheitsventil (Rupture Disk / Vent) für Druckentlastung bei Missbrauch.
6. Kennzeichnung & Prüfung: Etikett (Marke, Typ, Polarity, Haltbarkeit, Norm IEC 60086). Elektrische Prüfung (Leerlaufspannung, Kurzschlussstrom, Innenwiderstand), Dichtheit, optisch.

Andere Primärsysteme – Unterschiede

Sekundärzellen (Akkumulatoren) – Fokus Lithium-Ionen

Prinzip: Li⁺-Ionen wandern zwischen Kathode (Interkalation) und Anode (Graphit/Silizium) hin und her. Fertigungsschritte (Pouch / Prismatic / Cylindrical 18650/21700/4680):

1. Elektrodenherstellung (Slurry Coating):
   • Kathoden-Slurry: NMC/NCA/LFP + Leitruß + Binder (PVDF) in NMP → Beschichtung auf Al-Folie (10–20 µm).
   • Anoden-Slurry: Graphit (+ SiOx) + Binder (SBR/CMC) in Wasser → Beschichtung auf Cu-Folie (8–10 µm).
   • Trocknen (Lösemittel-Rückgewinnung NMP), Kalandrieren (Ziel-Dicke, Porosität), Schneiden (Slitting).
2. Zellenmontage:
   • Wickeln (Zylinder, Pouch) oder Stapeln (Prismatic) → „Jelly Roll“ / Elektrodenstapel.
   • Einlegen in Gehäuse (Dose / Alu-Laminatbeutel / Alu-Dose).
   • Laserschweißen (Deckel, Polstifte).
   • Elektrolytbefüllung (LiPF₆ in EC/DEC/DMC/EMC) unter Vakuum.
   • Verschweißen (Pouch: Vakuumversiegelung; Dose: Crimpen + Laserschweißen).
3. Formation & Aging (Kritisch!):
   • Erstladung (Formation) → SEI-Bildung (Solid Electrolyte Interphase) an Anode. Langsam (Tage), definiert Lebensdauer, Sicherheit, Kapazität.
   • Entgasung (Degassing) – bei Pouch: Gasbeutel entfernen & wiederverschließen.
   • Aging (Lagerung bei Temperatur, z. B. 25–45 °C, Wochen) → Selbstentladung, Kapazitätsstabilisierung, Sortierung (Grading A/B/C).
4. Endprüfung (EOL): Kapazität, Innenwiderstand (DCIR/ACIR), Leckstrom, Dichtheit, Optik, Dimensionsprüfung.

Qualität, Sicherheit & Normen

• Prozesskontrolle: Feuchte < 1 % (Taupunkt < -40 °C in Trockenräumen), Partikel < ISO 7/8, Metallpartikel-Detektion (X-Ray, Metal Detector).
• Sicherheit: UN 38.3 (Transport), IEC 62133 / 62619 / 60730, UL 1642 / 2054 / 2580.
• Rückverfolgbarkeit: Zell-ID (Laser/2D-Code) → Genealogie (Materialchargen, Prozessparameter, Formation-Daten).

Trends: Next Generation

• Trockenbeschichtung (Dry Electrode – Tesla/Maxwell, kein NMP, keine Trockner).
• Festkörperbatterien (Sulfide, Oxide, Polymere) – andere Fertigungsroute (Presssintern, Dünnfilm).
• Na-Ion (Natrium-Ion) – ähnliche Prozesse, andere Rohstoffe (Na, Fe/Mn-basierte Kathoden, Hartholzkohle-Anode).
• Zell-zu-Pack (CTP) / Zell-zu-Chassis (CTC) – Modul entfällt, neue Montageanforderungen.

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