Leybold unterstützt Hersteller bei der Entwicklung von Batterietechnologien

Die Vakuumtechnologie ist für die Qualität und Sicherheit verschiedener Produktionsschritte von Lithium-Ionen-Batterien relevant. Die Vakuumspezialisten von Leybold unterstützen seit vielen Jahren Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien bei ihren Prozessen und technologischen Herausforderungen und sind so maßgeblich an der Entwicklung der Elektromobilität beteiligt.

Entwicklungen mitgestalten

Elektromobilität ist der neueste Trend in einem sehr dynamischen Marktumfeld. „Aus Sicht der Vakuumtechnik beobachten wir diese Entwicklung seit vielen Jahren genau“, sagt Dr. Sina Weiss, Business Development Manager bei der Leybold GmbH. „Die Möglichkeit zu haben, aktuelle Entwicklungen und Forschung mitzugestalten, ist unglaublich spannend“, fügt sie hinzu.

Eine der Hauptaufgaben besteht ihrer Meinung nach darin, möglichst frühzeitig neue Vakuumanwendungen und Märkte aus neuen Technologien und Entwicklungen zu ermitteln. Die strategische Rolle der Vakuumtechnik besteht daher darin, diese Entwicklungen zu ermöglichen und voranzutreiben. Beispielsweise ist die Gestaltung der Vakuumumgebung ein Faktor, der Prozesse positiv beeinflussen kann. Während der Elektrolytbefüllung wird häufig Vakuum eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Zelle gleichmäßig mit dem Elektrolyten gesättigt ist, und um dem Befüllvorgang Reinheit zu verleihen.

Lithium-Ionen-Batterien als Vakuumanwendung

Leybold untersuchte die Entwicklungen in diesem Bereich und identifizierte Möglichkeiten für die Vakuumanwendung im Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien. Da zunächst nur wenige Informationen über den Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Komponenten vorlagen, hat sich das Unternehmen mit dem Verband Deutscher Maschinen und Anlagenbau (VDMA) und dem Lehrstuhl für Produktionstechnik von E-Mobilitätskomponenten der RWTH Aachen zusammengetan, um eine zu etablieren Herstellungsprozess. Neben Lithium-Ionen-Batterien konzentriert sich Leybold auch auf die Entwicklung von Brennstoffzellen. Anwendbare Vakuumverfahren sind bereits im Entstehen, darunter auch die Beschichtung der Bipolarplatten unter Vakuum. Hier gilt es, die technologischen Entwicklungen der nächsten Jahre zu beobachten und gegebenenfalls durch Kooperationen Unterstützung zu leisten.

Vakuumtechnik wird in verschiedenen Prozessschritten in der Elektrodenherstellung sowie in Forschung und Entwicklung eingesetzt. Dabei arbeitet Leybold eng mit Maschine und Anlage zusammen
Hersteller, die Batteriehersteller mit Produktionsanlagen beliefern. Darüber hinaus kooperiert Leybold mit Batterieherstellern sowie mit Institutionen, die Forschung zur Weiterentwicklung von Batterietechnologien betreiben.

Entwicklung nimmt in Europa zu

Der Großteil der Produktion findet weiterhin in Asien statt. Allerdings verlagert sich ein Großteil der Forschung und Entwicklung nach Europa, wodurch die EU (und insbesondere Deutschland) als Forschungs- und Produktionsstandort an Bedeutung gewinnt.

Vakuumtechnologie wird sowohl in der Batteriezellenproduktion als auch in Prozessen wie dem eingesetzt
Aufbringen aktiver Materialien auf Elektroden. „Generell ist Luft in vielen Produktionsumgebungen ein Störfaktor, da die Millionen von Partikeln und Gasmolekülen diesen Produktionsschritt negativ beeinflussen und ihn teilweise sogar unmöglich machen. Beim Mischen der Aufschlämmung müssen Partikel und Luftblasen vermieden werden.“ um ein qualitativ hochwertiges Produkt zu erzielen. Die meisten Mischer arbeiten daher unter Vakuum“, erklärt Dr. Sina Weiss.

Vakuum verbessert Prozesse

Auch während der Trocknungsphase ist Vakuum unerlässlich, um selbst kleinste Restmengen an Lösungsmitteln und Feuchtigkeit zu entfernen. Ohne Vakuum müsste der Trocknungsprozess bei viel höheren Temperaturen erfolgen und würde viel länger dauern. Dies würde sich negativ auf die Elektrodenqualität auswirken. Sobald Elektrolyte in nachfolgende Prozessschritte eingearbeitet werden, kommt dem Vakuum ein Sicherheitsaspekt zu, da viele der verwendeten Elektrolyte hochreaktiv und brennbar sind. Hier ist ein hochwertiges Vakuum unerlässlich. Einerseits sorgt es für Reinheit des Prozesses, sodass beim Befüllen und Entgasen des Elektrolyten keine Partikel oder Feuchtigkeit in die Zelle gelangen können. Andererseits sorgt es für eine reaktionsarme Umgebung ohne Sauerstoff oder Feuchtigkeit, mit denen der Elektrolyt reagieren könnte.

„Die größte Herausforderung liegt immer im zu pumpenden Gasgemisch. Grundsätzlich wird alles, was gepumpt und verarbeitet wird, auch von der Vakuumpumpe transportiert. Bei der Batterieproduktion betrifft dies die Lösungsmittel und Elektrolyte, die tendenziell giftig sind und die Pumpen beschädigen können.“ möglicherweise das Pumpenöl“, sagt Dr. Sina Weiss. „Aber auch sehr warme Umgebungstemperaturen und hohe Luftfeuchtigkeit sind generell Umstände, die uns vor Herausforderungen stellen“, fügt sie hinzu. Hier sind Batteriehersteller gefragt, die entweder für die richtige Kühlung der Pumpe sorgen oder Kondensatoren einsetzen.

Hochwertige Trocknungsergebnisse unter Vakuum

Verbesserungsmöglichkeiten bestehen in vielen Bereichen, da es noch keine etablierten Prozesse gibt, die sich als effizient erwiesen haben. Die Vakuumtrocknung beispielsweise ist ein kundenspezifischer Prozess aus Druck, Temperatur und Prozessgasen (z. B. Stickstoff). Um mithilfe der Vakuumtrocknung qualitativ hochwertige Trocknungsergebnisse zu erzielen, werden unter der Leitung des VDMA bereits branchenbezogene Forschungsprojekte durchgeführt.

Auch aus sicherheitstechnischer Sicht spielt die Lecksuche in der Produktion eine zentrale Rolle. Um eine lange Batterielebensdauer zu gewährleisten, muss die Zelle zu 100 % dicht sein. Eine gültige Dichtheitsprüfung kann nur über ein Vakuum-Lecksuchsystem durchgeführt werden. Selbst kleinste Lecks können mit Hilfe eines Helium-Lecksuchers oder Massenspektrometers aufgespürt werden. Andererseits verkürzen unentdeckte Undichtigkeiten die Lebensdauer der Batterie erheblich und/oder führen zum Austritt hochreaktiver Elektrolyte.

Einige Bestandteile von Lithium-Ionen-Batterien, die im Vakuum behandelt werden, sind giftig. Um die Umwelt und die Vakuumtechnik vor Schadstoffen zu schützen, muss die Vakuumpumpe diesen Gasen standhalten können. Darüber hinaus müssen die toxischen Stoffe im Prozess eingeschlossen und entsprechend sicher abgeführt werden.

Trockenpumpen sparen Zeit und Geld

Für diese giftigen Gase werden trockenlaufende Vakuumpumpen eingesetzt. Ölgedichtete Vakuumpumpen sind für diese Anwendungen in der Regel ungeeignet, da das Pumpenöl durch die Gase beschädigt oder verunreinigt werden könnte. Durch den Einsatz trocken verdichtender Pumpen sparen Batteriehersteller Zeit und Geld, da sie sonst häufig das Pumpenöl wechseln müssten. „Im Prozess der Elektrolytbefüllung und -entgasung kommen zunehmend ölgedichtete Vakuumpumpen zum Einsatz, die wir nun bei vielen unserer Kunden durch trockenlaufende Vakuumpumpen ersetzen“, fasst Dr. Sina Weiss zusammen.

Um eine ausreichende Prozesssicherheit beim Umgang mit toxischen Gasen zu gewährleisten, werden hermetisch dichte Pumpen eingesetzt, die den Austritt selbst kleinster Gasmengen verhindern. Dies ist insbesondere bei toxischen Elektrolyten ein wichtiger Faktor, bei dem auch der Arbeitsschutz eine wichtige Rolle spielt.

Schneller und zuverlässiger mit Vakuumtechnologie

Die Vakuumtechnik spielt somit eine wichtige Rolle bei der Trocknung, Elektrolytbefüllung und Entgasung. „Vakuum ist in allen drei Prozessschritten unerlässlich“, betont Dr. Sina Weiss. Aber auch vorgelagerte Prozessschritte wie das Mischen mit Vakuummischern, das Stapeln mit Vakuumgreifern und nachgelagerte Prozessschritte wie das Verpacken werden mit Vakuumtechnik schneller und sicherer abgewickelt.

Zukünftig kann der Einfluss einer reinen Vakuumumgebung und Spezifikationen noch besser ermittelt werden. Mit der Entwicklung individuell gekennzeichneter Elektrodenbleche, die mittels gelaserter QR-Codes über den gesamten Produktionsprozess verfolgt werden können, lässt sich der Einfluss einzelner Prozessparameter auf die Batteriequalität genau nachvollziehen.

Vakuum gewährleistet den sicheren Umgang mit giftigen Elektrolyten

Auch hinsichtlich der Sicherheit bei der Batterieproduktion und -nutzung spielt die Vakuumtechnik eine wichtige Rolle. Beispielsweise wird der sichere Umgang mit giftigen Elektrolyten auch in Zukunft nur unter Vakuumbedingungen möglich sein. Beim Fahren von Elektroautos vertrauen wir auf die Qualität der Batterie, die sich am besten im Vakuum testen und garantieren lässt. Man muss allerdings sagen, dass Prozesse unter Vakuum immer mehr Energie benötigen als solche unter Atmosphärendruck. Allerdings wurden hier in den letzten Jahren enorme Fortschritte in Richtung energieeffizienter Pumpen gemacht und heute setzen wir in der Batterieproduktion hocheffiziente Vakuumpumpen ein. „Damit können wir uns nun den Kernfragen widmen: Wie können wir durch effiziente Auslegung von Vakuumanlagen mehr Durchsatz, Sicherheit und Qualität in der Batterieproduktion erreichen? Und auch hier werden wir viele wichtige Fortschritte im Bereich machen.“ Vakuumtechnologie in den kommenden Jahren“, schließt Dr. Sina Weiss.