Batterieproduktion
Vakuum- und Lecksuchlösungen für saubere Energie
Energiespeicherung und Elektromobilität
Heute werden mehr denn je umweltfreundliche Technologielösungen benötigt, um die weitere globale Erwärmung zu verhindern. Unsere Erde hat die Schwelle von 400 ppm Kohlendioxid in der Atmosphäre überschritten und die Durchschnittstemperatur ist in knapp hundert Jahren um fast 1°C gestiegen.
Der laufende Übergang von fossilen zu erneuerbaren Energien erfordert kurzfristige Speichermedien mit hohem Wirkungsgrad, wie Batterien und Schwungräder. Eine der vielversprechendsten Optionen für zukünftige Energiespeicherung sind netzfähige Elektrofahrzeuge. Neben umweltfreundlicher Mobilität erhöht diese Option die Flexibilität des Stromsystems, indem die Energie immer dann optimal genutzt wird, wenn sie aus einer erneuerbaren Quelle wie einer Photovoltaik-Solarzellenanlage zur Verfügung steht.
Allgemein
Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie werden in mobilen Geräten wie Laptops, Smartphones und anderen Wearables eingesetzt. Batterien treiben sogar unsere Autos an. Doch wie werden diese kompakten Stromspeicher hergestellt und was hat das alles mit Vakuum und Lecksuche zu tun?
Diese Broschüre beantwortet diese Fragen, indem sie einen detaillierten Einblick in produktionsbezogene Vakuumanwendungen bei der Herstellung der heute gefragtesten Technologie gibt: Lithium-Ionen-Batterien.
Elektromobilität
Die Mobilität muss in Zukunft klimafreundlicher werden. Die durch den Verkehr verursachten CO2-Emissionen stellen rund 24 %1) der weltweiten CO2-Emissionen dar. Damit hat die Mobilität einen erheblichen Einfluss auf unsere Umwelt. Es wird immer mehr CO2 in die Atmosphäre abgegeben. Die Folge: Unsere Erde wird immer wärmer. Batterien haben das Potenzial, die mobilitätsbedingten CO2-Emissionen zu reduzieren. Zusätzlich können sie zur Speicherung von Energie aus erneuerbaren Energiequellen genutzt werden.
Netzstabilität
Batteriespeichersysteme können auch zur Stabilisierung von Stromnetzen eingesetzt werden. Sie sollen die Netzstabilität gewährleisten, indem sie kurzfristige Schwankungen der Netzfrequenz stabilisieren. Um diese Schwankungen auszugleichen, muss je nach Bedarf schnellstmöglich Energie ins Netz eingespeist oder entnommen werden. Batteriespeichersysteme sind perfekt geeignet, um schnell auf diese Netzschwankungen zu reagieren.
Zukünftige Technologien
Neben der Lithium-Ionen-Batteriezelle mit flüssigem Elektrolyt wird bereits an einer neuen Generation von Lithium-Ionen-Batterien geforscht: der sogenannten „Solid State Battery”, die sich durch einen festen Elektrolyten auszeichnet. Dann werden andere Vakuumanwendungen als bei den heutigen Produktionsverfahren von Lithium-Ionen-Batterien relevant werden. Bis zur Marktreife der neuen Batterie-Generation wird es jedoch noch einige Zeit dauern.
Grundlagenforschung
Batteriekomponenten spielen bei der Batterieproduktion eine große Rolle. Insbesondere die Zusammensetzung und Struktur der Elektroden, die einen erheblichen Einfluss auf die Leistung und die Lebensdauer einer Batteriezelle haben. Darüber hinaus sind Beschichtungsprozesse unter Vakuum entscheidend, um die Batterie vor Korrosion oder negativen Auswirkungen auf die Grenzschichten zwischen den Elektroden zu schützen. Auch das Gehäuse einer Batterie darf nicht vernachlässigt werden. Eine hohe Dichtigkeit ist zwingend erforderlich, um das Eindringen von Feuchtigkeit in die Batterie zu verhindern, was eine nicht akzeptable Leistungsverschlechterung zur Folge hätte. Daher ist die Grundlagenforschung von großer Bedeutung.
Mischen
Beim Mischen der „Slurry” für die Elektroden der Zelle ist es notwendig, das Eintreten von Gasblasen zu vermeiden. Mit Hilfe von Vakuum können Lufteinschlüsse in der „Slurry” verhindert und diese somit homogen hergestellt werden.
Vakuumtrocknung
Ein wichtiger Schritt in der Batterieproduktion ist die gründliche Trocknung der Materialien. Restfeuchte in den Zellen führt zu schnellem Leistungsverlust und vorzeitiger Alterung. Die Trocknung der beschichteten Elektroden der Zelle unter Vakuum garantiert minimale Restfeuchte und bereitet die Elektroden für die nächsten Produktionsschritte im Trockenraum vor.
Elektrolyt-Befüllung
Beim Befüllen der Zelle wird der Elektrolyt über eine hochpräzise Dosierlanze unter Vakuum eingebracht. Durch ein definiertes Druckprofil, durch abwechselndes Evakuieren und Inertgasspülen der Zelle, wird der Kapillareffekt aktiviert. Dies führt zu einer homogenen Verteilung des Elektrolyten. Durch diesen optimierten Benetzungsprozess wird die Qualität und Lebensdauer der Zelle erhöht.
Formation/Entgasung
Bei der Formation von Batteriezellen kommt es beim ersten Ladevorgang der Zelle zu einer starken Gasentwicklung. Unter einer Schutzatmosphäre im Vakuum werden die austretenden Gase abgesaugt. Da diese Gase toxisch und teilweise explosionsgefährlich sind, müssen kundenspezifische Anforderungen an die Vakuumtechnik berücksichtigt werden.
End-of-Line-Test
Am Ende der Produktion muss eine Batteriezelle das Qualitätsniveau des Herstellers erfüllen. Elektrische Sicherheit, Dichtheit, aber auch die festgelegten Spezifikationen des Endkunden sind die Hauptgründe für die Durchführung von End-of-Line-Tests. Hohe Taktzeiten müssen eingehalten werden, da der aktuelle und zukünftige Bedarf in Bezug auf Quantität und Qualität eine 100 %ige Prüfung erfordert.
Lecksuche
Um die langfristige Leistung und den sicheren Betrieb einer Batterie zu gewährleisten, ist die Lecksuche ein wesentlicher Schritt in der Qualitätskontrolle. Dies gilt für Batteriekomponenten, Kühlung, Batteriemodule und Batteriepacks. Die Zelle muss vor dem Eindringen von Feuchtigkeit geschützt werden, um die Sicherheit des Systems zu gewährleisten.
Batterie-Recycling
Um den Wechsel von konventioneller zu elektrischer Mobilität zu ermöglichen, muss die Verfügbarkeit von Ressourcen gesichert werden. Wie bei jedem anderen Produkt, ist Recycling ein kosteneffizienter und nachhaltiger Weg, um den Bedarf an neu geförderten Ressourcen zu reduzieren. Neue, vielversprechende Recyclingmethoden können bei der Nutzung von Prozessen unter Vakuum eine Recyclingrate von bis zu 91 % erreichen.
Dies ist nur ein Auszug.
Die vollständige Anwendungsbroschüre können Sie als PDF-Datei herunterladen.
