In der Prozesskette der Lithium-Ionen-Zellfertigung steht das Zellassembly an der Schnittstelle zwischen Elektrodenfertigung und Formierung. Während vorgelagerte Schritte wie Slurry-Herstellung, Beschichtung und Kalandrieren die elektrochemisch aktiven Schichten erzeugen, werden im Assembly die fertig konfektionierten Elektroden und Separatoren zu einem funktionsfähigen Zellstapel oder Wickel zusammengefügt und in das Gehäuse eingebracht. Dieser Prozessabschnitt ist maßgeblich dafür verantwortlich, dass die im Labor erzielte elektrochemische Leistungsfähigkeit auch im industriellen Serienprodukt reproduzierbar erhalten bleibt. Fertigungsfehler, die im Assembly entstehen, sind in der Regel nicht mehr korrigierbar und führen zu Ausschuss oder — im schlimmsten Fall — zu sicherheitsrelevanten Defekten im Feld.
Das Assembly gliedert sich je nach Zellformat in unterschiedliche Teilprozesse. Die drei dominierenden Formate — zylindrische Zelle, prismatische Hartschalenzelle und Pouch-Zelle — stellen jeweils spezifische Anforderungen an Anlagentechnik, Handhabung und Fügeverfahren. Gemeinsam ist allen Formaten, dass der gesamte Prozess unter kontrollierten Umgebungsbedingungen stattfinden muss, insbesondere unter trockenem Reinraumklima, um Feuchteeinträge in die Elektroden und den Separator zu vermeiden.
Elektrodenkonfektionierung: Schneiden, Ritzen und Handhaben
Vor dem eigentlichen Stapel- oder Wickelprozess werden die beschichteten und kalandrierten Elektrodenbahnen konfektioniert. Beim Schneiden — auch Slitting oder Notching genannt — werden die Elektrodenbahnen auf die zellformatspezifische Breite und Länge zugeschnitten sowie die Stromableiterfahnen (Tabs) ausgestanzt oder gelasert. Die Qualität dieser Schneidkanten ist kritisch: Gratbildung, Partikelabrieb oder ungleichmäßige Schnittkanten können zu internen Kurzschlüssen führen, wenn metallische Partikel den Separator durchdringen. Laserbasierte Schneidverfahren gewinnen deshalb gegenüber mechanischen Stanzwerkzeugen an Bedeutung, da sie partikelärmer arbeiten und flexibler auf unterschiedliche Geometrien eingestellt werden können.
Die Handhabung der Elektroden stellt aufgrund ihrer mechanischen Empfindlichkeit hohe Anforderungen an die Automatisierungstechnik. Beschichtete Elektroden sind spröde, neigen bei falscher Führung zum Abplatzen des Aktivmaterials (Delamination) und dürfen nicht mit kontaminationsgefährdeten Oberflächen in Berührung kommen. Vakuumgreifer, berührungsarme Transportsysteme und bildbasierte Lageerkennung sind im modernen Anlagendesign daher Standard.
Wickeln und Stapeln: Die zwei grundlegenden Assembly-Prinzipien
Für zylindrische und viele prismatische Zellen kommt das Wickelverfahren zum Einsatz. Dabei werden Anode, Kathode und ein oder zwei Separatorlagen auf einem Dorn gemeinsam zu einem zylindrischen oder flachen Wickel (Jelly Roll) aufgerollt. Entscheidend für die Qualität ist eine konstante, definierte Zugspannung aller Lagen während des gesamten Wickelvorgangs. Spannungsschwankungen führen zu inhomogener Lagenverteilung, lokalem Elektrodenversatz oder Faltenbildung im Separator — allesamt Defekte, die spätere Kapazitätsverluste oder Sicherheitsrisiken verursachen können. Moderne Wickelmaschinen arbeiten mit Closed-Loop-Regelung der Bahnspannung und integrierter optischer Inspektion.
