Unfassende Beratung Herausforderungen im Umgang mit Lithium-Batterien

Jauch Quartz fertigt am Standort in Villingen-Schwenningen kundenspezifische Battery Packs.
Jauch Quartz fertigt am Standort in Villingen-Schwenningen kundenspezifische Battery Packs.

Für Entwicklung, Produktion und Transport von Lithium-Ionen-Batterien sind viele Gesetze und Verordnungen zu berücksichtigen. Jauch Quartz bietet dazu eine umfassende Begleitung und Beratung an.

Im aktuellen »Bundesbericht Forschung und Innovationen« weist das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ein weiteres Mal auf die große Bedeutung der Lithium-Technologie für den Technologiestandort Deutschland hin. Es hebt dabei besonders die laufende »Innovationsallianz Lithium Ionen Batterie LIB 2015« hervor. Im Rahmen der Innovationsallianz LIB 2015 hat sich ein Industriekonsortium verpflichtet, 360 Millionen Euro für Forschung und Entwicklung an der Lithium-Ionen-Batterie zu investieren. Zeitgleich wird das BMBF 60 Millionen Euro für diesen Bereich zur Verfügung stellen. Auch in der wissenschaftlich-technologischen Zusammenarbeit mit den Vereinigten Staaten benennt das BMBF die Forschung in den Bereichen Lithium-Schwefel-Batterien und Lithium-Luft-Batterien als wichtige neue Kooperationsfelder.

In der starken Nachfrage nach Batterien auf Lithium-Basis spiegelt sich die eingangs beschriebene Entwicklung wider: Immer mehr Hersteller von batteriebetriebenen Produkten setzen auf Energiequellen mit Lithium- Ionen-Technologie. Doch welche Herausforderungen sind beim Design-In, bei der Fertigung und dem Transport von Lithium-Ionen-Batterien für Hersteller von batteriebetriebenen Produkten und für Batterieassemblierer zu beachten?

Lithium-Technologie
 
Natürlich sprechen die Vorteile für sich: Lithium weist eine viel höhere Energiedichte und Spannung als bisher verwendete Materialien auf. Anwendung mit Lithium sind somit deutlich länger oder mit mehr Leistung zu betreiben. Bei vergleichbaren Leistungsdaten sind die Batterien zudem deutlich kleiner. Auch die höhere Anzahl der Ladezyklen und die lange Haltbarkeit der Batterie sprechen für den Einsatz dieser Technologie. Allerdings birgt der Einsatz der Lithium-Ionen-Batterien aufgrund der höheren Energiedichte auch höhere Risiken, was sowohl die Fertigung der Batterie als auch den Transport der Batterie sowie des Endproduktes inklusive Batterie und den Gebrauch betrifft.

Zellfertigung
 
Schon bei der Zellfertigung ist daher Eigensicherheit ein Thema: Am Anfang steht die Auswahl des für die Anwendung passenden Anoden- und Kathodenmaterials. Zum Teil werden mehrlagige Separatoren mit Shut-down-Funktion eigesetzt, die ab etwa +130° C aufschmelzen und den Ionenfluss unterbrechen, oder die Zellen werden bereits mit einem PTC gefertigt. Außerdem befinden sich »Sollbruchstellen« im Gehäuse, die bei Gasbildung ein kontrolliertes Entweichen des Gases ermöglichen, bevor es zur Explosion kommt. Zusätzlich werden die Lithium-Ionen-Batterien mit einer Schutzelektronik vor Tiefentladung, äußeren Kurzschlüssen und vor allem Überladung geschützt. Weitere Funktionen auf der Schutzelektronik machen aus der einfachen eine intelligente Batterie: Zellen-Balancing und Kommunikation über SMBus und I²C lassen sich in die Batteriemanagement-Systeme integrieren.

Assemblierung
 
Nicht zu vergessen ist die mechanische Stabilität: So sind die Anordnung der einzelnen Lithium-Ionen-Zellen und ihre korrekte Assemblierung dafür verantwortlich, dass das Batteriepack größtmögliche Sicherheit bietet.

Qualitätsmanagement-System
 
Schon aus Gründen der Prozesssicherheit sollte jeder Batteriehersteller weltweit nach einem Qualitätsmanagement-System arbeiten. Auf diese Weise lässt sich garantieren, dass einzelne Muster und ganze Serien von Batterien in gleichbleibend hoher Qualität entstehen. Inzwischen fordert der weltweit gültige UN38.3-Transporttest dies zwingend. Und das betrifft nicht nur die Zellhersteller, sondern auch die Assemblierer.