Industrie & Technik

Elektromobilität braucht Vakuum

20.04.2021 - Leybold kooperiert mit Herstellern zur Entwicklung von Batterietechnologien.

Bei der Herstel­lung von Li­thium-Io­nen-Bat­te­rien ist die Va­ku­um­technik für ver­schie­dene Pro­zessab­schnitte quali­täts- und si­cherheitsre­le­vant. Der Va­ku­um­spe­zia­list Ley­bold be­glei­tet da­her seit vie­len Jah­ren Herstel­ler von Li­thium-Io­nen-Bat­te­rien bei ih­ren pro­zesstechni­schen Heraus­for­de­run­gen und ist so­mit an der Ent­wicklung der Elektro­mo­bili­tät maßgeblich be­tei­ligt.

Die Elektro­mo­bili­tät ist derzeit ein Trend­thema in ei­nem sehr dy­na­mi­schen Markt­um­feld. „Auch aus der Per­spektive der Va­ku­um­technik be­gleiten wir die­sen Be­reich da­her be­reits seit vie­len Jah­ren in­tensiv“, sagt Dr. Sina Forster, Bu­si­ness De­ve­lop­ment Mana­ge­rin bei der Leybold GmbH. „Die ak­tu­el­len Ent­wick­lun­gen und For­schun­gen derzeit mitge­stalten zu kön­nen ist da­her un­glaubl­ich span­nend“, er­gänzt Dr. Forster.

Eine der Kern­aufga­ben be­steht ih­rer Ein­schät­zung nach da­rin, aus neuen Tech­nolo­gien und Ent­wick­lun­gen mög­lichst früh­zeitig po­tenzi­elle Va­ku­um­ap­pli­ka­tio­nen und Märkte ab­zu­lei­ten. Die strate­gi­sche Rolle der Va­ku­um­tech­nik liegt so­mit da­rin, be­stimmte Ent­wick­lun­gen zu er­mögli­chen und vo­ranzu­bringen. So bil­det etwa die Ge­staltung der Va­ku­u­mumge­bung ei­nen Faktor, der die Pro­zesse po­si­tiv be­ein­flus­sen kann. So ist Va­kuum bei­spiels­weise bei der Elektro­lyt­be­fül­lung meist un­er­lässlich, um eine gleichmä­ßige Be­netzung der Zelle mit dem Elektro­lyt, aber auch eine reine Be­fül­lungsat­mosphäre zu ge­währleis­ten.

Li­thium-Io­nen-Batte­rien als Va­ku­um­ap­pli­ka­tion Leybold hat die Ent­wick­lun­gen im die­sem Be­reich rechtzei­tig in den Fo­kus ge­nom­men und den Herstel­lungs­pro­zess von Li­thium-Io­nen-Batte­rien als Va­ku­um­ap­pli­ka­tion identi­fi­ziert. Weil es an­fangs nur we­nige In­for­ma­tio­nen zum Her­stel­lungs­pro­zess der Li­thium-Io­nen Kom­po­nen­ten gab, hat das Un­ter­neh­men mit dem Verband Deut­scher Maschinen- und An­la­genbau e. V. (VDMA) so­wie dem Lehr­stuhl für Production En­gi­ne­ering of E-Mobi­lity Compo­nents PEM der RWTH Aachen bei der Aufstellung ei­nes ide­al­ty­pi­schen Herstel­lungspro­zes­ses ko­ope­riert. Ne­ben Li­thium-Io­nen-Batte­rien ste­hen bei Leybold in die­sem Zu­sammen­hang auch die Ent­wick­lun­gen zur Brenn­stoff­zelle im Fo­kus. Hier zeich­nen sich be­reits re­le­vante Va­ku­um­prozesse ab, etwa bei der Be­schich­tung der Bi­po­lar­platten un­ter Va­kuum. Hier gilt es, die tech­nolo­gi­schen Ent­wick­lun­gen in den nächsten Jah­ren zu be­obachten und ge­ge­be­nen­falls über Ko­opera­ti­o­nen zu be­gleiten.

Va­ku­um­tech­nik kommt in ver­schie­de­nen Prozessschritten in der Elektroden­herstellung aber auch im For­schungs- und Entwick­lungsbe­reich zum Ein­satz. Hierfür ar­bei­tet Leybold eng mit Maschi­nen- und An­la­genher­stellern zu­sam­men, wel­che die Batte­rie­her­stel­ler mit Produkti­onsan­la­gen be­lie­fern. Darüber hin­aus ko­ope­riert Ley­bold mit den Batte­rie­her­stel­lern so­wie mit In­sti­tu­tio­nen, die an der Wei­ter­entwicklung von Batte­rie­tech­nolo­gien for­schen.

Der Groß­teil der Se­ri­en­produktion fin­det derzeit zwar im­mer noch in Asien statt. Viele An­strengungen in For­schung und Ent­wick­lung ver­la­gern sich aber nach Eu­ropa, wo­durch die EU und speziell Deutsch­land als For­schungs- und Produk­ti­ons­stand­ort zu­nehmend an Be­deu­tung ge­win­nen.

Die Va­ku­um­technik kommt in der Bat­te­rie­zel­len­produktion aber auch bei Pro­zes­sen, wie etwa der Auf­brin­gung von Ak­tiv­ma­te­ria­lien auf die Elektro­den zur An­wendung. „Generell ist da­bei in vie­len Produkti­onsumge­bun­gen die Luft ein Stör­faktor, denn die Mil­lio­nen von Parti­keln und Gasmo­lek­ü­len be­ein­flussen die­sen Pro­dukti­onsschritt ne­ga­tiv oder ma­chen ihn so­gar un­möglich. So sind hier be­reits beim Mi­schen des Slurrys Parti­kelein­träge und Luftbläschen zu ver­mei­den, um ein qualita­tiv hochwer­ti­ges Slurry zu er­rei­chen. „Die meisten Mi­scher ar­bei­ten da­her un­ter Va­kuum“, er­läu­tert Dr. Sina Forster.

Auch bei der Trock­nung ist Va­kuum un­er­lässlich, um auch kleinste Rückstände an Lö­sungs­mitteln und Feuchtig­keit zu entfer­nen. Ohne Va­kuum müsste der Trocknun­gs­pro­zess bei deutlich hö­he­ren Tempera­tu­ren durchge­führt werden und würde viel län­ger lau­fen, was sich ne­ga­tiv auf die Elek­tro­den­quali­tät auswir­ken würde. So­bald in den weite­ren Prozess­schrit­ten mit Elektrolyt ge­ar­bei­tet wird, be­kommt das Va­kuum ei­nen Si­cherheits­aspekt, denn viele ver­wendete Elektro­lyte sind sehr re­ak­tiv und ent­zünd­lich. Hierbei ist ein gu­tes Va­kuum un­er­lässlich: Zum ei­nen für die Reinheit im Prozess, um bei der Elektro­lyt­be­fül­lung und der et­wai­gen Entga­sung kei­nen Parti­kel- oder Feuchtig­keitsein­trag in die Zelle zu ha­ben. Zum an­de­ren, um eine re­ak­ti­onsarme Umge­bung ohne etwa Sauer­stoff oder Feuch­tigkeit be­reitzu­stellen, mit de­nen das Elektrolyt rea­gie­ren könnte.

„Die größte Her­aus­for­de­rung ist da­bei im­mer das zu för­dernde Gas­ge­misch – denn prin­zipi­ell wird alles, was im Pro­zess ge­för­dert und ver­ar­bei­tet wird, auch durch die Va­ku­um­pumpe transpor­tiert. Bei der Zell­pro­duk­tion be­trifft das die Lö­sungsmit­tel und die Elektro­lyte, die ten­den­ziell to­xisch sind und die Pum­pen und das Pum­penöl an­grei­fen kön­nen“, führt Dr. Sina Fors­ter aus. „Aber auch sehr warme Um­ge­bungsbe­din­gun­gen oder viel Luft­feuchtig­keit sind ge­nerell Um­stände, die uns vor Her­aus­for­de­run­gen stel­len“, er­gänzt sie. Hier sind dann auch mal die Bat­terie­her­stel­ler ge­fragt, in­dem sie die kor­rekte Küh­lung der Pumpe ge­währleis­ten oder Kon­den­sato­ren ein­set­zen.

Opti­mie­rungsmöglich­kei­ten be­ste­hen so­mit in vie­len Be­rei­chen weil es dort noch keine etab­lier­ten Pro­zesse gibt, die nachweis­lich effi­zient sind. So ist etwa die Va­ku­um­trocknung ein kun­den­indi­vidu­eller Ab­lauf von Druck, Tem­pera­tur und Pro­zess­gas wie Stick­stoff. Um mit Hilfe der Va­ku­um­trocknung ein gutes Trocknungser­geb­nis zu errei­chen, lau­fen be­reits in­dust­rie­nahe For­schungs­pro­jekte unter Lei­tung des VDMA.

Auch die Leck­su­che spielt unter Si­cher­heitsas­pek­ten eine zent­rale Rolle bei der Ferti­gung. Für eine lange Le­bens­dauer der Bat­terie muss die Zelle abso­lut dicht sein. Eine va­lide Dichtheitsprü­fung kann nur über eine Va­ku­um­leck­su­che erfol­gen. So las­sen sich mit Hilfe eines Heli­um­leck­su­chers oder Mas­sen­spektro­me­ters kleinste Lecks auf­spü­ren. Un­ent­deckte Le­cka­gen wür­den die Le­bens­dauer der Bat­terie da­ge­gen stark ver­kür­zen oder dazu füh­ren, dass das hoch re­ak­tive Elektro­lyt aus­tre­ten könnte.

Man­che Be­standteile von Li­thium-Io­nen-Bat­te­rien, die im Va­kuum be­han­delt wer­den, sind to­xisch. Um die Um­ge­bung und die Va­ku­um­tech­nik vor Schadstoffen zu schützen, muss die Va­ku­um­pumpe die­sen Ga­sen standhal­ten. Zum an­de­ren soll­ten die toxi­schen Me­dien im Pro­zess ge­hal­ten und ent­spre­chend si­cher ab­ge­führt wer­den.

Bei die­sen toxi­schen Ga­sen kom­men tro­cken­lau­fende Va­ku­um­pum­pen zum Ein­satz. Für diese An­wen­dun­gen sind ölge­dich­tete Va­ku­um­pum­pen eher un­ge­eig­net, da das Pum­penöl von den Ga­sen an­ge­grif­fen oder kon­tami­niert wer­den könnte. Durch die Ver­wen­dung tro­cken­ver­dich­ten­der Pum­pen spa­ren die Bat­terie­her­stel­ler Kos­ten und Zeit, da sie sonst häu­fig das Pum­penöl wechseln müssten. „Ge­rade im Pro­zess­schritt der Elektrolyt­be­fül­lung und Ent­ga­sung wur­den bis­lang ver­mehrt öl­ge­dich­tete Va­ku­um­pum­pen ein­ge­setzt, die wir nun bei zahl­rei­chen Kun­den ge­gen tro­cken­lau­fende Va­ku­um­pum­pen aus­tau­schen“, resü­miert Dr. Sina Fors­ter.

Um für aus­rei­chend Pro­zess­si­cher­heit beim Um­gang mit toxi­schen Ga­sen zu sor­gen, kom­men her­meti­sch dichte Pum­pen zum Ein­satz, bei de­nen nicht ein­mal ge­ringste Men­gen des Ga­ses aus­tre­ten kön­nen. Ge­rade bei toxi­schen Elektro­ly­ten ist das ein ent­scheiden­der Fak­tor, denn dort steht auch die Ar­beitssi­cher­heit im Vor­der­grund.

So spielt die Va­ku­um­tech­nik in der Trock­nung, Elektro­lyt­be­fül­lung und der Ent­ga­sung eine wich­tige Rolle. „In allen drei Pro­zess­schritten ist ein Va­kuum uner­läss­lich“, un­ter­streicht Dr. Sina Fors­ter. Aber auch vor­gela­gerte Pro­zess­schritte wie das Mi­schen in Va­ku­um­mi­schern, das Sta­peln mit Va­ku­um­grei­fern oder die nach­gela­gerte Ver­pa­ckung wer­den mit Va­ku­um­tech­nik schneller und zu­ver­lässi­ger ab­gewi­ckelt.

Zu­künf­tig lässt sich der Ein­fluss einer rei­nen Va­kuu­mum­ge­bung so­wie die Spe­zifi­ka­tion noch bes­ser be­stim­men. Mit der Ent­wick­lung von indi­vidu­ell ge­kennzeichne­ten Elektro­densheets, die an­hand von ge­la­ser­ten QR-Codes durch den kom­plet­ten Pro­duk­ti­ons­pro­zess ver­folgt wer­den kön­nen, lässt sich der Ein­fluss ein­zel­ner Pro­zesspara­me­ter auf die Bat­te­riequalität exakt zu­rück­ver­fol­gen.

Vakuum si­chert Um­gang mit toxi­schen Elekt­roly­ten Auch für die Si­cher­heit spielt Va­ku­um­tech­nik wäh­rend der Zell­pro­duk­tion und bei der Nut­zung eine her­aus­ra­gende Rolle. So wird der si­chere Um­gang mit toxi­schen Elektroly­ten auch in Zu­kunft nur unter Va­ku­um­be­din­gun­gen mög­lich sein. Wäh­rend der Nut­zung in ei­nem E-Auto ver­trauen wir auf die Dichtheit der Bat­terie, die am bes­ten unter Va­kuum ge­prüft und ge­währleis­tet wer­den kann.

Es muss je­doch ge­sagt wer­den, dass Pro­zesse unter Va­kuum im­mer mehr Ener­gie be­nöti­gen als unter At­mosphä­ren­druck. Hier­bei konnten in den letz­ten Jah­ren je­doch enorme Fort­schritte in Rich­tung ener­gie­effi­zien­ter Pum­pen er­zielt wer­den, so­dass wir heute sehr öko­no­mi­sche Va­ku­um­pum­pen in der Bat­terie­pro­duk­tion ein­set­zen. „So kön­nen wir uns heute den Kern­fra­gen wid­men: Wie kön­nen wir über die effi­zi­ente Aus­le­gung der Va­ku­um­sys­teme mehr Durch­satz, Si­cher­heit und Qua­lität in der Zell­pro­duk­tion errei­chen? Und auch da­bei wer­den wir im Be­reich der Va­ku­um­tech­nik in den nächsten Jah­ren viele wich­tige Fort­schritte ma­chen“, zieht Dr. Sina Fors­ter eine posi­tive Bi­lanz.