Herausforderungen bei Lithium

Jun 22, 2023

Rahul Bollini schreibt eine Reihe von Artikeln, in denen er die Herausforderungen erläutert, die beim Aufbau einer Anlage zur Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen auftreten, und die für jedes Unternehmen relevant sein sollten, das in diesem Bereich tätig ist. In diesem Artikel (Teil 6 der Serie) werden die Herausforderungen erläutert, mit denen der Hersteller von Lithium-Ionen-Zellen bei der Planung seiner Expansion und Diversifizierung konfrontiert ist.

Die Erweiterung für die gleiche Art der Zellfertigung erfolgt im Allgemeinen modular. Das bedeutet, dass mehrere Linien derselben Art von Ausrüstung hinzugefügt werden, wenn die Anlage bereits vollständig automatisiert ist. Falls die Anlage nicht vollständig automatisiert ist, wird Automatisierung eingesetzt, um die Leistung der vorhandenen Ausrüstung zu steigern.

Weniger Automatisierung ermöglicht mehr Flexibilität bei der gewünschten Ausgabe, allerdings mit einigen Einschränkungen. Beispielsweise können LFP mit 15 Ah (Modell mit höherer Lebensdauer) und 16 Ah Kapazität im zylindrischen Formfaktor 33140 mit derselben Ausrüstung hergestellt werden. Zellen mit geringerer Höhe und ähnlichem Durchmesser, wie z. B. 6 Ah LFP im zylindrischen Formfaktor 32700, können ebenfalls mit derselben Ausrüstung hergestellt werden (einige geringfügige Änderungen und Abstimmungen sind erforderlich). Darüber hinaus können durch Modifizierung des inneren Zelldesigns Zellen mit höherer und niedrigerer gravimetrischer Energiedichte (Wh) hergestellt werden. LFP-Zellen können eine Leistung von nahezu 200 Wh/kg erreichen, indem einfach dünnere Stromkollektoren und aktiveres Material in der Zusammensetzung der Kathoden- und Anodenaufschlämmung verwendet werden. Dies wirkt sich jedoch auf die Lebensdauer, den Innenwiderstand und die Ladegeschwindigkeit aus und führt zu einem höheren Temperaturanstieg während des Betriebs.

Eine bereits gut automatisierte Anlage, die unter Vollauslastung läuft, hat kaum Spielraum, die Produktionskapazität zu erhöhen. Daher werden Linien ähnlicher Größe in größerer Zahl hinzugefügt, um die Produktionskapazität zu erhöhen. Man könnte sich fragen: Was ist der Unterschied in der Ausstattung der halbautomatischen und vollautomatischen Anlagen? Zunächst wäre in einer halbautomatischen Anlage die Mischerkapazität geringer und ihre Mengen höher, um verschiedene Formulierungen und verschiedene Mischgeschwindigkeiten zur Herstellung verschiedener Zelltypen zu ermöglichen. Andererseits würde eine vollautomatische Anlage eine größere Kapazität nutzen, um eine höhere Homogenität in der Produktion zu gewährleisten, und sich darauf konzentrieren, weniger Zellmodelle herzustellen.

Wenn der Systemintegrator für die Anlagenerweiterung ein anderer ist als der vorherige, insbesondere bei steigenden Automatisierungsgraden, kann es eine Herausforderung darstellen, die Anlage mit der gewünschten Leistung zum Laufen zu bringen. Es könnte zu gewissen Verzögerungen und einer höheren Verschwendung von Rohstoffen und Produktionsausstoß kommen. Mit den sich ändernden Automatisierungsstilen ändern sich auch die Produktionsstile, und die Belegschaft benötigt zusätzliche Schulungen, um mit diesen Änderungen umzugehen.

Für ein Zellfertigungsunternehmen ist die Herstellung einer vielfältigen Zellpalette von entscheidender Bedeutung, um den Anforderungen eines breiteren Anwendungsspektrums gerecht zu werden. Aufgrund ihrer höheren Energiedichte (gravimetrisch und volumetrisch), Spannung, Leistung und Zyklenlebensdauer erfreuen sich Lithium-Ionen-Batterien immer größerer Beliebtheit. Daher werden viele Anwendungen nun auf diese Batterien umgestellt. Diese Anwendungen erfordern jedoch unterschiedliche Arten von Lithium-Ionen-Zellen. Betrachten Sie eine Lithium-Ionen-Zelle, die in einem Mobiltelefon verwendet wird, im Vergleich zu einer Zelle, die in einem Elektrobus verwendet wird. Diese beiden Anwendungen erfordern unterschiedliche Formfaktoren, Kapazitäten und Chemikalien. Für einen Zellhersteller kann es eine Herausforderung sein, für beides zu produzieren, aber die Auswahl von Anwendungen, die ähnliche Parameter für Lithium-Ionen-Zellen verwenden, ist eine einfachere Aufgabe.

Gleicher Formfaktor, unterschiedliche Kapazitäten/Leistungen – Schon mal was von EV-Zellen und ESS-Zellen gehört? Nehmen wir ein Beispiel einer prismatischen LFP-Zelle. Ein Hersteller kann EV-Zellen produzieren, die eine höhere Leistung (C-Rate) und eine höhere Energiedichte (gravimetrisch und volumetrisch), aber eine kürzere Zyklenlebensdauer liefern können. Vergleichen Sie es mit ESS-Zellen des gleichen prismatischen LFP-Typs, die eine geringere Leistung und eine geringere Energiedichte hätten, aber eine höhere Zyklenlebensdauer bieten würden. Die Änderungen erfolgen im Zelldesign und in der Art der verwendeten Materialien (ähnliche, aber unterschiedliche Spezifikationen).

Dieser Parameter wird als Entwicklungsplan betrachtet. Unternehmen planen, die Entladungskapazität ihrer Produkte bei gleichem Formfaktor und gleicher Abmessung zu verbessern, um in Zukunft eine höhere gravimetrische und volumetrische Energiedichte bereitzustellen.

Gleicher Formfaktor und unterschiedliche Chemie – Dies lässt sich sehr gut am Beispiel von Zellen mit einer Kapazität von 5 Ah im Zylinderformfaktor 21700 erklären. Dieselbe Zelle kann mit den Kombinationen NMC 811 + Siliziumgraphit und NCA + Siliziumgraphit hergestellt werden. Die Wahl der Kathodenmaterialien bietet verschiedene Vor- und Nachteile in Bezug auf maximalen Dauerstrom (Laden und Entladen), Spitzenentladestrom, Zyklenlebensdauer und Sicherheit.

Gleiche Kapazität und unterschiedliche Formfaktoren – Nehmen wir das Beispiel von Zellen mit einer Kapazität von 5 Ah. Diese Kapazität kann im zylindrischen Formfaktor 21700 und im zylindrischen Formfaktor 26650 hergestellt werden. 21700 verwendet NMC 811- oder NCA-Kathode + Siliziumgraphit, während 26650 NMC 532/622 + Graphit verwendet. Zu den Vorteilen einer 21700-Zelle gehört in diesem Fall eine höhere gravimetrische und volumetrische Energiedichte. Zu den Vorteilen einer 26650-Zelle gehören in diesem Fall eine höhere Sicherheit und Zyklenlebensdauer sowie geringere Kosten.

Alle Diversifizierungspläne erfordern, dass das Forschungs- und Entwicklungsteam eines Unternehmens bewährte Produkte herstellt und diese über einen längeren Zeitraum untersucht, bevor das Produkt in die Massenproduktion gebracht wird. Es gibt viele Alterungstests, die Aufschluss darüber geben, wie gut das neu entwickelte Produkt sein wird. Bei diesen Tests kann es sich um die Zykluslebensdauer bei verschiedenen Lade- und Entlade-C-Ratenkombinationen bei verschiedenen Temperaturen, um Untersuchungen am Ende der Lebensdauer, um Kalenderalterung, um einen Anstieg der IR mit zunehmender Alterung, um thermische Profilierung mit zunehmender Alterung, um Wh- und Ah-Effizienz der Zelle mit zunehmender Alterung usw. handeln.

Kommende Teile dieser Serie:

Teil – 7 (Entwicklung zu neueren Technologien)

Teil – 8 (Rückwärtsintegration)

Rahul Bollini ist ein F&E-Experte für Lithium-Ionen-Zellen mit 8 Jahren Erfahrung. Er gründete Bollini Energy, um EV-, BESS-, BMS- und Batteriedatenanalyseunternehmen auf der ganzen Welt beim tiefgreifenden Verständnis der Eigenschaften von Lithium-Ionen-Zellen zu unterstützen. Rahul kann unter +91-7204957389 und [email protected] erreicht werden.

Lesen Sie auch:

Teil 1Den Markt verstehen

Teil 2Das Produkt erfüllt die technischen Erwartungen des Marktes

Teil 3Möglichkeit der Lokalisierung und Rohstoffsicherung

Teil 4Planung der Anlagenaufstellung

Teil 5Prozessoptimierung und qualifizierte Arbeitskräfte

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