Wie eine Lithium-Ionen-Pouchzelle im Labor entsteht
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Formal Metadata
| Title |
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| Author | ||
| License | CC Attribution 3.0 Unported: You are free to use, adapt and copy, distribute and transmit the work or content in adapted or unchanged form for any legal purpose as long as the work is attributed to the author in the manner specified by the author or licensor. | |
| Identifiers | 10.5446/15217 (DOI) | |
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| Release Date | ||
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Content Metadata
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| Genre | ||
| Abstract |
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EnergieElektrofahrzeugRenewable energyLecture/Conference
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Renewable energy
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CathodeAnodeElectrodeSeparatorBattery chargerShort circuitGraphiteGerätDirection (geometry)CathodeSurge protectorElektronikerAluminium foilElectric currentVoltageLebensdauerComputer animation
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Kunststofffolie
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Paste (rheology)CathodeIngredientSolventPolyvinylidene fluorideBinder (material)Florett
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GraphiteElectrodeGraphiteHilfsstoff
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MixtureGraphite
02:52
Ingredient
02:57
Paste (rheology)LuftblaseGemenge
03:03
LuftblaseElectrodeBeschichtungsanlage
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Ladder
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Aluminium foilMeeting/InterviewMachine
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CathodeRakelPaste (rheology)SolventCombSchichtMachine
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Rolling (metalworking)SolventLetterpress printing
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Letterpress printingCalenderPorositätElectrodeElektronikerMachine
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Porosität
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ElectrodeEngineering fitSurge protectorNissan PatrolEngineering drawingMachine
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AnodeCathodeGraphite
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Short circuitAnode
04:04
Moisture
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ElectrodeUltrasound
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UltrasoundElectrodeSurge protectorNissan Patrol
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VoltageKlemmeNissan PatrolPackaging and labelingLadder
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SeparatorElectrodePackaging and labelingShort circuitMoisture
04:45
Short circuitAcoustic membraneSeparatorElectrodeStapelHeißsiegeln
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Pipette
05:04
PipetteSalt (chemistry)
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ElectrodeCombLuftdichtheit
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Comb
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CupboardMachine
05:26
Halterung
05:31
Measuring instrumentKennlinie
05:37
KennlinieComputer animation
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Engineering drawing
05:54
Outline of industrial organizationRenewable energy
Transcript: German(auto-generated)
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Wie diese Digitalkamera zeigt, kommt kein mobiles Gerät ohne sie aus. Lithium-Ionen-Akkus Bei niedrigem Gewicht speichern sie viel Energie auf wenig Raum.
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Ideal für mobile Geräte und Elektrofahrzeuge, aber auch für stationäre Anwendungen wie die dezentrale Speicherung erneuerbarer Energie. Ein Lithium-Ionen-Akkuh besteht aus einer oder mehreren Zellen. Die Zellen sind schichtartig aufgebaut. Die wichtigsten Schichten sind die beiden Elektroden Kathode und Anode. Zur Ableitung des Stroms befindet sich die Kathode auf einer elektrisch gut leitfähigen Aluminiumfolie und die Anode auf einer Kupferfolie.
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Die positiv geladene Kathode besteht aus einem Lithium-Metalloxid und die negativ geladene Anode aus Graphit. Doch was passiert nun innerhalb der Zelle? Ein flüssiger Elektrolyt aus Lösungsmitteln und einem lithiumhaltigen Leitsalz sorgt
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dafür, dass sich die Lithium-Ionen zwischen den Elektroden bewegen können. Beim Laden in einem Ladegerät werden Plus- und Minuspol durch Metallkontakte verbunden und eine elektrische Spannung angelegt. Dadurch lösen sich positiv geladene Lithium-Ionen aus dem Lithium-Metalloxid der Kathode heraus und lagern sich in die Anode ein.
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Gleichzeitig gibt das Metalloxid negativ geladene Elektronen ab. Die Elektronen fließen über die Metallkontakte zur Anode und gleichen dort die positive Ladung der eingelagerten Lithium-Ionen aus. Beim Entladen der Zelle fließen Elektronen und Lithium-Ionen in die andere Richtung.
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Den elektrischen Strom kann man für den Betrieb eines Gerätes nutzen. Damit sich die Elektroden der Zelle nicht berühren und einen Kurzschluss verursachen, sind Anode und Kathode durch einen Kunststoffseparator getrennt. Dieser ist mikroporös und somit durchlässig für die winzigen Lithium-Ionen. Sowohl Leistungsfähigkeit als auch Lebensdauer der Zelle hängen von Eigenschaften und Verarbeitung der Materialien ab.
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Eine Herausforderung für die Wissenschaftler des Instituts für angewandte Materialien am Karlsruher Institut für Technologie. Als Labormuster stellen sie in Kunststofffolie verpackte Zellen her, die Pouchzellen.
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Eine Wissenschaftlerin mischt die Zutaten für die Kathode zu einer Paste. Die Paste besteht aus dem Bindemittel Polyvinylidenfluorid und N-Methylpyrolidon, einem Lösungsmittel. Hinzu kommen, das aktive Kathodenmaterial, ein Lithium-Metalloxid und Hilfstoffe
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wie Ruos oder Grafit, die die elektrische Leitfähigkeit der Elektrode erhöhen. Die Grafit-Anode wird später aus einer vergleichbaren Mischung hergestellt. Zuerst verrührt die Forscherin die Zutaten grob und setzt sie anschließend in einen Mischer ein. Hohe Drehzahlen verwandeln das heterogene Gemisch in eine homogene Paste.
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Ein Vakuum verhindert, dass der Mischer Luftblasen in die Paste rührt. Die fertige Elektrodenpaste wird dann zur Beschichtungsanlage gebracht und dort auf einen Stromableiter aufgetragen. Gleichmäßig fließt die Kathodenpaste auf eine langsam bewegte Aluminiumfolie.
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Eine Art Metallleiste, die rake, streift überflüssige Paste ab. Die feuchte Kathodenschicht läuft nun durch mehrere Trockenkammern, in denen das Lösungsmittel verdampft. Ein Wissenschaftler gibt sie dann zwischen zwei Walzen, die sie mit hohem Druck zusammenpressen. Das nennt man Kalandrieren. Die Elektrode bekommt so die gewünschten Werte für Porosität und Schichtdicke.
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Im nächsten Schritt schneidet ein Forscher passgenaue Elektroden mit einem kleinen, nicht beschichteten Streifen, der Ableiterfahne. Die Anode schneidet er aus einer mit Grafit beschichteten Kupferfolie. Sie ist etwas größer als die Kathode. Das soll sicherstellen, dass sich später beim Laden der Zelle kein Lithium am Rand der Anode ablagert und dort Kurzschlüsse entstehen.
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Einige Zellkomponenten sind feuchtigkeitsempfindlich. Daher müssen die Forscher die Zellen im Trockenraum zusammensetzen, einer Umgebung mit extrem geringer Luftfeuchtigkeit. Dort schweißt der Wissenschaftler mit hochfrequentem Ultraschall einen Metallstreifen an die unbeschichtete Ableiterfahne der Elektrode.
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Dieser Streifen ist stabiler als die dünne Stromableiterfolie. An ihn legen die Forscher später die Klemmen für die elektrische Spannung an. Für das Verpacken der Zelle braucht der Wissenschaftler eine feuchtigkeitsundurchlässige Kunststoffhülle, den Pouch.
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Zwischen die Elektroden kommt noch ein Separator aus einer elektrisch nicht leitenden Membran, der später einen Kurzschluss verhindern soll. Anschließend wird der Stapel in den Pouch gelegt und dessen Seiten bis auf eine offene Kante mit Heißsiegeln verschlossen.
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Mit einer Pipette füllt der Forscher den Elektrolyt aus Lösungsmitteln und dem Leitsalz in die Zelle. Dadurch können sich Lithium-Ionen frei von einer Elektrode zur anderen bewegen. Eine evakuierbare Kammer verschließt die Zelle luftdicht.
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Mit diesem Arbeitsschritt ist die Zelle zusammengebaut. Jetzt kommt sie ins Prüflabor. In einem Testschrank werden die angeschweißten Metallstreifen in eine Halterung geklemmt. Die Zelle wird abwechselnd geladen und wieder entladen. Ein Messgerät zeichnet den Spannungsverlauf auf und bildet ihn als Kennlinien ab. Die Wissenschaftler experimentieren mit verschiedenen Materialien und prüfen, wie sie sich verarbeiten lassen,
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sodass sie leistungsfähiger und zuverlässiger werden – mit geringeren Produktionskosten. Weil sich die Forscher an industriellen Arbeitsabläufen und Materialien orientieren, können sie als Ergebnis Produktionsempfehlungen liefern.
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Zum Beispiel für Speichertechnologien erneuerbarer Energien.
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