Aktuelle und zukünftige Akkusysteme für die Elektromobilität. Eine vergleichende Analyse

Textprobe:

Kapitel 1.4 Herstellungsprozess Akkuzellen
Die Produktion von Akkuzellen für Elektromobile ist ein sehr aufwendiger Prozess. Aufgrund der derzeit geringen Nachfrage an Elektroautos und der Fertigungskomplexität, wird die Produktion aktuell meist nicht von einer Produktionsstätte, sondern von unterschiedlichen Firmen mit Spezialisierung bestimmter Produktionsschritten übernommen. Daraus ergeben sich unter anderem die derzeit hohen Herstellungskosten der Akkuzellen.
Trotz der verschiedenen Geometrien, Größen und Materialien, durchlaufen alle Zellen dieselben Hauptprozessschritte Fertigung der Elektroden, Zusammenbau der Zelle und Aktivierung, wie aus Abbildung 1-6 zu entnehmen ist. Je nach Zelltyp gibt es in der Produktion Unterschiede, die sich besonders beim Zusammenbau der Zelle bemerkbar machen.
Fertigung der Elektroden
Im ersten Arbeitsschritt werden die Anoden- und Kathodenfolien mit Hilfe einer Beschichtungspaste miteinander verklebt. Anschließend wird der Klebstoff getrocknet und die Elektroden durch ein Kalanderverfahren über mehrere Walzen gestreckt und verliert dadurch an Dicke. Je nach gewünschter Geometrie werden die Folien im Anschluss im Slittingverfahren auf die richtige Größe zugeschnitten.
Zusammenbau der Zellen
Je nach Geometrie der Zelle, die in Kapitel 1.5 näher erläutert werden, unterscheidet sich der Zusammenbau voneinander und es sind zusätzliche Schritte notwendig. Grundsätzlich werden beim Zusammenbau die Folien gewickelt, diese dann verpackt und die Verpackung verschweißt. Bei prismatischen Zellen und Pouch-Zellen ist vor allem die Dichtigkeit in diesem Prozessschritt aufwendiger.
Aktivieren
Nach dem Zusammenbau der Zelle werden diese mehrmals geladen und entladen. Dieser Formierungsschritt ist dazu notwendig, damit sich um die Elektroden die SEI Schicht bildet, die als Schutz vor den Elektrolyten notwendig ist, wie in Kapitel 1.8 näher erklärt.
Um bei der Endkontrolle eine geeignete Aussagekraft über den Zustand des Akkus zu erhalten, werden diese beim "Aging" in einem Zeitraum von ca. 15 bis 30 Tage in einem temperierten Raum gelagert. Während des Lagerns werden regelmäßig der Ladezustand kontrolliert, um Zellen mit schlechter Qualität aussortieren zu können. Anschließend wird in einer Endkontrolle die Zelle auf ihre Leistung und Sicherheit getestet und klassifiziert.
1.5 Zellgeometrien
Derzeit werden im Automobilbereich 3 verschiedene geometrische Ausführengen von Akkuzellen verwendet. Je nachdem welche Form die Zellen einnehmen, ergeben sich unterschiedliche Vor- und Nachteile, die in diesem Abschnitt erläutert werden sollen.
Rundzellen
Die Rundzellen, wie in Abbildung 1-7 gezeigt, sind die derzeit geläufigste Form der Zellen und werden auch in vielen Anwendungen im Consumer Bereich verwendet. Um die Rundzellen zu produzieren werden symmetrisch Endlosrollen aus Elektroden und Separatoren aufgewickelt und in einem Gehäuse aus Stahl oder Aluminium verbaut. Mit dieser Geometrie konnte bisher viel Produktionserfahrung gesammelt werden und damit optimiert werden, was sich in einer hohen Lebensdauer und einer mechanischen Robustheit wiederspiegelt. Die Nachteile dieser kompakten Bauform sind aber die schlechte Wärmeabführung, wodurch eine Kühlung notwendig wird und die im Vergleich zu anderen Geometrien geringe Energiedichte auf Modulebene.
Prismatische Zelle
Im Gegensatz zur Rundzelle werden in der Prismatischen Zelle, gezeigt in Abbildung 1-8, die Schichten aus Elektroden und Separatoren in elliptischer oder gestapelter Form angeordnet, um damit eine flache und platzsparende Form zu erhalten und damit stapelbar ist. Als weiterer Vorteil sind die prismatischen Zellen aufgrund des besseren Oberflächen-Volumen Verhältnisses wesentlich besser zu kühlen als Rundzellen. Andererseits sind sie sehr anfällig gegen Innendrücke und beulen sich dadurch leichter aus. Das Zellengehäuse besteht wie bei der Rundzelle meist aus Stahl oder Aluminium.
Pouch-Zelle
Die Pouch-Zelle, in Abbildung 1-9 dargestellt, ist ähnlich wie eine Prismatische Zelle quadratisch aufgebaut. Der große Unterschied der Zelle ist das nicht fest und starr ausgelegte Gehäuse, sondern stattdessen befindet sich die Zelle in einer dünnen Kunststofffolie, die mit Aluminium beschichtet ist. Dadurch lässt sich die Verpackung günstiger und von der Form flexibel produzieren. Die Kühleigenschaften und die Energiedichte sind wesentlich besser als bei Rundzellen. Nachteilig an dieser Form von Zelle sind die Dichtheit, als auch die Stapelbarkeit, als auch die mechanische Empfindlichkeit.
Zusammenfassung Zellgeometrien
Da jede Geometrie sowohl ihre Vor- und Nachteile hat, wird derzeit in der Praxis von den Automobilherstellern, je nach Anforderung und Anwendung, eine der drei Geometrien verwendet. Derzeit lässt sich derzeit noch keine klare Tendenz hin zu einer Geometrie erkennen. Nach Schätzungen von Dr. Birke von der SK Conintental wird in den nächsten Jahren durch die Steigende Energiedichte das thermische Management bei Rundzellen zu aufwendig. Demnach geht er davon aus, dass in Zukunft vermehrt Pouch-Zellen, mit ihren überlegenden Kühleigenschaften, eingesetzt werden.