Da Hochleistungsanwendungen wie Drohnen, Roboter, Schnellladesysteme und Industrieanlagen höhere Entladeraten und thermische Stabilität erfordern, stoßen herkömmliche gewickelte Batteriestrukturen an ihre Leistungsgrenzen. Ingenieure kämpfen häufig mit Spannungsabfällen, Überhitzung unter hoher Last oder begrenzter Schnellladefähigkeit. In solchen Fällen gewinnt die Technologie gestapelter Batterien an Bedeutung. Doch ist Stapeln immer besser als Wickeln? Und wie wählen Sie die richtige Technologie für Ihr Hochleistungsbatterieprojekt?
Typische Anwendungen, die eine hohe Batterieleistung erfordern
Nicht alle Geräte benötigen hohe Entladeströme. Bei bestimmten Anwendungen hat die Batteriestruktur jedoch direkten Einfluss auf Leistung und Sicherheit. Im Folgenden werden typische Szenarien mit hohen Entladeströmen beschrieben, in denen die Zellmontagetechnologie entscheidend ist:
Drohnen benötigen beim Start, Steigflug und Manövrieren schnelle Leistungsspitzen. Eine hohe Entladerate (C-Rate) und eine stabile Ausgangsspannung sind unerlässlich, um Instabilitäten im Flug zu vermeiden.
Industrie- und Serviceroboter sind bei Bewegungssteuerung und Beschleunigung häufigen Stromspitzen ausgesetzt. Eine unzureichende Stromregelung kann zu Spannungseinbrüchen und Systemneustarts führen.
Elektrowerkzeuge arbeiten unter plötzlichen, hohen Belastungen. Der Akku muss einen hohen Momentanstrom liefern, ohne zu überhitzen.
Defibrillatoren und tragbare medizinische Systeme erfordern sowohl eine schnelle Abgabe von Energie als auch absolute Zuverlässigkeit unter Notfallbedingungen.
Fahrerlose Transportsysteme benötigen für den Dauerbetrieb eine stabile Hochstromentladung und ein effizientes Wärmemanagement. Bei Anwendungen mit häufiger Hochstromentladung (über 3C–5C) spielt die interne Struktur der Batteriezelle eine entscheidende Rolle.
Was ist Stack-Batterie-Technologie?
Die Stapelbatterietechnologie nutzt den Stromkollektor als Anschlusskontakt und stapelt die positive Elektrode, den Separator und die negative Elektrode in der Reihenfolge positiv, Separator, negativ zu einer gestapelten Zelle. Es gibt zwei Hauptstapelverfahren: das direkte Stapelverfahren, bei dem der Separator durchtrennt wird, und das Z-förmige Stapelverfahren, bei dem der Separator gefaltet wird, ohne ihn zu durchtrennen. Sowohl das Stapeln als auch das Wickeln sind vollautomatisierbar und ausgereifte Technologien zur Zellmontage.
Die Struktur der gestapelten Zelle gewährleistet, dass jede Lasche eine entsprechende Öffnung besitzt, was zu einem geringeren Innenwiderstand führt und sie somit besser für das Laden und Entladen mit hohen Strömen geeignet macht. Darüber hinaus zeichnen sich gestapelte Zellen durch eine hohe Raumausnutzung aus. Im Vergleich zu gewickelten Zellen bieten gestapelte Zellen inhärente Vorteile bei der Konstruktion und Fertigung von großen, ultradünnen und unregelmäßig geformten Batterien.
Die gestapelte Struktur verteilt die Kraft gleichmäßig, was zu geringeren Ausdehnungsraten, einem gleichmäßigeren Stromfluss und einer längeren Lebensdauer führt. Allerdings ist der Stapelprozess komplexer und erfordert mehrere Laschen, wodurch das Risiko von Schweißfehlern steigt. Im Vergleich zu Wickelmaschinen benötigen Stapelmaschinen eine höhere Präzision, sind teurer und arbeiten langsamer.
Was ist Wickelbatterietechnologie?
Die Wickeltechnologie für Batterien beinhaltet das Anschweißen der Elektrodenanschlüsse mittels Ultraschallschweißen. Der positive Elektrodenanschluss besteht aus Aluminium, der negative aus Nickel. Die positiven und negativen Elektrodenfolien sowie die Separatoren werden in der Reihenfolge positive Elektrode, Separator, negative Elektrode, Separator angeordnet und anschließend zur Zelle verwickelt. Dieses Wickelverfahren wird in der Lithium-Ionen-Batterieproduktion eingesetzt und eignet sich ideal für die Herstellung zylindrischer und quadratischer Zellen.
Lithium-Ionen-Batterien sind die Kerntechnologie der modernen Energieversorgung und verfügen über eine hochentwickelte Wickeltechnologie. Die Herstellung gewickelter Zellen erfolgt heute mit vollautomatisierten Produktionsanlagen. Als Materialien werden Aluminium und Nickel verwendet, was die Produktionskosten niedrig und die Ausbeute hoch hält und das Wickeln zu einem unverzichtbaren Schritt bei der Montage von Lithium-Ionen-Batterien macht.
Die Wickelstruktur verleiht zylindrischen Batterien Druckfestigkeit und erhöhte Sicherheit. Ein Nachteil besteht jedoch darin, dass sich die Elektroden beim Wickeln vermischen und dadurch Totzonen entstehen, was den Platz in der Batterie ineffizient macht. Zudem führt die einpolige Konstruktion zu einem höheren Innenwiderstand, was für das Laden und Entladen mit hohen Strömen nicht optimal ist. Daher eignen sich gewickelte Zellen vor allem für kleine quadratische und zylindrische Batterien.
Warum Hochleistungsbatterien die Stapelbatterietechnologie bevorzugen?
Hochleistungsbatterien, wie z. B. Antriebsbatterien und Schnellladebatterien, müssen während des Ladens und Entladens mit hohen Strömen hohe Effizienz, Stabilität und Sicherheit gewährleisten, was höhere Anforderungen an die Fertigungsprozesse stellt. Das Stapelverfahren ersetzt bei Hochleistungsbatterien das traditionelle Wickelverfahren. Die Stapelbatterietechnologie zeichnet sich durch geringeren Widerstand, höhere Energiedichte, bessere Stabilität und längere Lebensdauer aus und ist daher ideal für RoboterDrohnen und Elektrowerkzeuge.
Kürzerer Stromweg, geringerer Innenwiderstand
Bei hohen Lade- und Entladeströmen muss die Batterie größeren Strömen standhalten, und die Strompfadlänge beeinflusst den Innenwiderstand und die Wärmeentwicklung.
- Wicklungsbatterietechnologie. Der Strom fließt entlang der Elektrodenlänge, was zu einem längeren Weg, einem höheren Innenwiderstand und spürbaren Energieverlusten sowie Wärmeentwicklung bei hohen Strömen führt.
- Gestapelte Batterietechnologie. Ihre positiven und negativen Elektroden sind parallel gestapelt, und der Strom muss vertikal durch die Dicke der Elektroden fließen, wodurch der Weg verkürzt, der Innenwiderstand reduziert und die Batterie besser für das Laden und Entladen mit hohen Raten geeignet wird.
Höhere Energiedichte, bessere Raumausnutzung
Die Energiedichte der Batterie beeinflusst direkt ihre Reichweite und Leistung, und das Stapelverfahren bietet einen größeren Vorteil bei der Raumausnutzung.
- Wicklungsbatterietechnologie. Im Zentrum der Zelle bildet sich ein Hohlraum, was zu Platzverschwendung führt und die Energiedichte begrenzt.
- Gestapelte Batterietechnologie. Die Elektroden sind ordentlich gestapelt, ohne zentralen Hohlraum, was zu einer hohen Raumausnutzung und einer um 5–10 % erhöhten Energiedichte führt.
Bessere mechanische und thermische Stabilität
- Hochleistungsbatterien erzeugen beim Laden und Entladen mehr Ausdehnung und Wärme; durch das Stapeln von Batterien werden diese Probleme behoben.
- Gleichmäßige Spannungsverteilung. Die Stapelstruktur verteilt die Spannung gleichmäßig über die Elektroden und reduziert so Verformungen oder Faltenbildung im Separator, die durch ungleichmäßige Ausdehnung verursacht werden.
- Bessere Wärmeableitung. Die Wärme wird gleichmäßiger verteilt, wodurch lokale Überhitzung vermieden wird.
Längere Lebensdauer
Hochleistungsbatterien neigen dazu, bei häufigem Laden und Entladen mit hohem Strom schneller zu altern, und das Stapeln von Batterien trägt dazu bei, ihre Lebensdauer zu verlängern.
Reduzierte Grenzflächendegradation: Die Stapelstruktur minimiert den durch Elektrodenbiegung verursachten Verlust an aktivem Material und erhöht die Zyklenlebensdauer im Vergleich zum Wickelprozess um 10-20%.
Anpassungsfähigkeit an große und unregelmäßig geformte Batteriedesigns
Da sich Batterien hin zu größeren Abmessungen und individuelleren Lösungen entwickeln, bietet das Stapelverfahren eine größere Flexibilität.
- Wickelprozess: Große Zellen neigen zur Verformung, was die Leistung beeinträchtigt.
- Stapelverfahren: Ermöglicht die Integration von Bauformen wie Klingenbatterien und Zellen mit unregelmäßiger Form und erfüllt so die Anforderungen verschiedener Anwendungsszenarien.
Herausforderungen des Stapelprozesses
- Geringere Produktionseffizienz. Das Stapeln erfordert eine präzise Ausrichtung, und die Produktionsgeschwindigkeit ist geringer als beim Wickeln.
- Hohe Ausrüstungskosten. Stapelmaschinen sind komplexer als Wickelmaschinen und erfordern daher eine höhere Anfangsinvestition.
In der Praxis garantiert die Wahl der Stapeltechnologie allein keine hohe Leistungsfähigkeit. Die Integration der Zellenmontage in die Konstruktion des gesamten Packs ist ebenso entscheidend.
Klassifizierung der Stapelbatterietechnologie
Z-Stapelung, integrierte Schnittstapelung, Thermokomposit-Stapelung und integrierte Rollenstapelung sind vier wichtige Stapelungstechnologien für Lithium-Ionen-Batterien. Das Verständnis ihrer Funktionsprinzipien trägt zur Verbesserung der Effizienz gestapelter Batteriesysteme bei.
Z-Stapeltechnologie
Die Z-Stapeltechnologie ist ein Stapelverfahren, bei dem der Separator zwischen den Stapelplattformen hin und her bewegt wird, wodurch eine Kreuzstapelung der positiven und negativen Elektroden erreicht wird. Dabei treten folgende Probleme auf:
- Verformung des Separators: Der Separator bewegt sich mit der Stapelplattform, was zu Asymmetrie und Verformung führt und die Batteriequalität beeinträchtigt. Zusätzlich schwanken die Porosität und die spezifische Oberfläche des Separators.
- Geringe Stapeleffizienz: Der Separator muss während des Stapelvorgangs schwingen, was die Zeit pro Stapel erhöht und nur das Stapeln einzelner Teile ermöglicht.
Integrierte Cut-Stack-Technologie
- Verbesserte Ausbeute: Durch die Zusammenführung mehrerer Prozesse in einer Maschine wird das Beschädigungsrisiko beim Transfer reduziert. Herkömmliche Verfahren erforderten die separate Handhabung der Elektrodenfolien, was zu Beschädigungen führte. Die integrierte Maschine kombiniert Schneiden, Z-Stapelung und Heißverpressen des Klebstoffs, wodurch die Handhabung minimiert und die Ausbeute erhöht wird.
- Verbesserte Stapeleffizienz: Die Maschine führt Elektroden und Separatoren gleichzeitig zu und stapelt sie in Z-Form. Nach Erreichen der festgelegten Schichtanzahl wird der Separator zugeschnitten, verklebt und heißgepresst, um die Zelle zu formen.
Thermokomposit-Stapeltechnologie
Die Thermokomposit-Stapelmaschinen führen Elektroden und Separatoren gleichzeitig zu. Die Elektroden werden zugeschnitten, erhitzt und zusammengepresst, wodurch Komposit-Einheiten entstehen, die gestapelt und heiß in den Kern eingepresst werden. Der Separator ist mit einem Klebstoff beschichtet, der beim Erhitzen klebrig wird und so die Verbindung der Schichten während des Prozesses unterstützt.
Rollstapel-Integrationstechnologie
LG besitzt das Patent für das Stapel- und Faltverfahren mit Anlagen des deutschen Unternehmens MANZ. Bei diesem Verfahren werden die positiven und negativen Elektroden in Einheiten zerlegt, die auf Separatoren platziert und abwechselnd übereinander gewickelt werden. Dieses Verfahren zeichnet sich durch hohe Geschwindigkeit und Effizienz aus.
LGs patentiertes Stapel- und Faltverfahren kombiniert eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen Separator zu einer Bi-Zelle. Mehrere dieser Bi-Zellen werden anschließend gefaltet, um die Batterie zu erzeugen. LG verwendet außerdem seine SRS-Technologie (Safety Reinforced Separator), bei der der Separator mit Keramik beschichtet wird, um die Festigkeit zu erhöhen und Kurzschlüsse zu verhindern.
Entwicklungstrends bei Batteriestapel- und Wickeltechnologien
Hochgeschwindigkeits-Stapelmaschinen und die Trockenelektrodentechnologie der Batteriestapeltechnologie entfernen die Lösungsmittelbeschichtung und pressen die Elektrodenfolien zusammen. Diese Innovation zielt darauf ab, die hohen Anlagenkosten zu senken.
Die Wickeltechnologie zielt auf eine optimierte Raumausnutzung und höhere Energieausbeute ab. Durch das Vorbiegen werden die Elektrodenfolien in eine spezifische Krümmung vorgeformt, wodurch die Spannung beim Wickeln reduziert wird. Die Mehrlagenwicklung verringert den Innenwiderstand.
Der Wettbewerb zwischen Wickel- und Stapelverfahren ist ein Balanceakt zwischen Effizienz und Leistung. Ähnlich wie bei der Vorliebe für gerollte Kuchen gegenüber Schichtkeksen müssen die beiden Verfahren in verschiedenen Anwendungsbereichen nebeneinander bestehen und sich durch gegenseitige Optimierung weiterentwickeln. Durch die Optimierung der Wickelstruktur zur Verbesserung der Energiedichte und den Einsatz eines hybriden Stapel- und Wickelverfahrens wird die Effizienz gesteigert.
Fazit
Die Wahl zwischen Wickel- und Stapeltechnik erfordert eine umfassende Bewertung des Entladeprofils, der thermischen Belastung, der räumlichen Einschränkungen und der Lebenszykluserwartung.
Für projektspezifische Bewertungen oder technische Beratung zu Hochleistungsakkumulatoren können Sie sich an folgende Stelle wenden: CM Batteries Hier ist das technische Team: https://cmbatteries.com/contact/
