Foto: Hans Engel/TU Braunschweig
Lithium-Ionen-Batterien sind die Hochleistungssportler unter den Batterien. Das liegt an ihren herausragenden Eigenschaften: Sie sind leicht, langlebig, können mehr Ladezyklen verkraften und bieten außerdem eine hohe Energiedichte. Deshalb kommen sie vor allem dort zum Einsatz, wo viel Energie benötigt wird oder eine herkömmliche Batterie zu schwer oder zu groß wäre. Man findet Lithium-Ionen-Batterien deshalb nicht nur in Smartphones, Laptops, Digitalkameras und zahlreichen anderen kleinen, tragbaren und handlichen Geräten, sondern zum Beispiel auch in E-Bikes und -Autos. Sie stellen jeweils das Herzstück dar.
Mit dieser Methode sollen Batterien viel mehr Leistung bringen
Den Hauptbestandteil solcher Lithium-Ionen-Batteriezellen stellen Elektroden dar. Damit aus mehreren Elektroden eine Batteriezelle entsteht, müssen die Elektroden exakt übereinander liegen. Diese sogenannte Stapelbildung gibt es bereits in Form industrieller Herstellungsprozesse. Allerdings ist genau das immer noch besonders aufwändig – sowohl aus technischer als auch aus zeitlicher Perspektive. Die Stapelbildung besteht aus extrem vielen Schritten, die immer wieder von Qualitätskontrollen unterbrochen werden. Allein dadurch wird der Prozess besonders langsam. Doch bisher war es nur auf diese Art und Weise möglich, ein präzises Ergebnis zu erzielen und die Elektroden ohne Beschädigung zu positionieren. Diese Herausforderung hat es bislang verhindert, solche Batteriezellen kostengünstig und in großer Zahl in Serie zu produzieren.
Batterie: Elektromagnetische Felder erzeugen entgegengerichtete Wirbelströme
Forschenden der Technischen Universität Braunschweig ist es nun gelungen, ein innovatives Verfahren zu entwickeln, mit dem die Elektroden sich unversehrt und exakt in hoher Geschwindigkeit positionieren und fixieren lassen. Gelungen ist ihnen das, indem sie ein elektromagnetisches Feld erzeugten. Das sorgt dafür, dass in den zu stapelnden Elektroden Wirbelströme entstehen. Genau diese lassen ebenfalls elektromagnetische Felder entstehen. Sie sind dabei dem erzeugenden Feld entgegengerichtet. Die Forschenden nutzen eben dieses Zusammenspiel aus: Die elektromagnetischen Felder lösen Kräfte aus, die am Ende die Elektroden exakt auf dem Stapel positionieren und sie sicher fixieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese Kräfte dabei sofort und kontaktlos wirken. Das führt zu einer Verminderung der Prozesszeit bei der Stapelbildung. Darüber hinaus verhindere das ebenfalls Schäden an den Elektroden.
Diese neu entwickelte Methode komme nach Angaben der Forschenden gänzlich ohne weitere Energie oder Prozessmedien aus. Auch Motoren oder andere Komponenten sind nicht notwendig. Das mache dieses neue Verfahren einzigartig und vor allem besser als alle bisher angewendeten.
Verfahren ist flexibel in der Batteriezellproduktion einsetzbar
Nachgewiesen haben die Forschenden ihre Ergebnisse durch den Bau eines Prototyps, der am Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik entstand. Er wurde hinreichend getestet. Im Rahmen dieser Versuche haben die Forschenden die Vorteile gegenüber der herkömmlichen Stapelbildung nachweisen können. Darüber hinaus ergaben weitere Simulationen, dass die Hochgeschwindigkeits-Stapelbildung, die sie in ihren Tests erreichten, flexibel einsetzbar ist und sich auch auf andere, vor allem große Elektrodenformate, übertragen lässt. Ihnen sei es damit gelungen, nicht nur die Geschwindigkeit in der Stapelbildung deutlich zu verbessern, sondern auch die Qualität. Man könne es deshalb als Schlüsseltechnologie betrachten, die eine wirtschaftlich effiziente Batteriezellenproduktion in Zukunft möglich mache.
Aus diesem Grund hat die Technische Universität Braunschweig dieses Verfahren zur Hochgeschwindigkeits-Stapelbildung auf Basis elektromagnetischer Felder beim Patentamt eingereicht. Das Ziel sei eine industrielle Verwertung in der nationalen und europäischen Batteriezellproduktion.
Innovationen für die Batteriezellproduktion – Herausforderung für Forschende
Nicht nur an der Technischen Universität Braunschweig wird intensiv zu diesem Thema geforscht. Unter anderem am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beschäftigen sich Forschende mit der Stapelbildung. Ihnen ist zuletzt bei Solarzellen ein Durchbruch gelungen – und zwar auch dank der Stapelbildung. Sie nutzten diese, stellten eine sogenannte Tandem-Solarzelle aus Perowskite und Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) her. Damit erreichten sie den bislang höchsten gemeldeten Wirkungsgrad für diese Technologie, nämlich 24,9% (23,5% zertifiziert).
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