Entwicklung von Batterietechnologien Wie Vakuumtechnik die E-Mobilität mitgestaltet

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 Leybold. „Die aktuellen Entwicklungen und Forschungen mitgestalten zu können, ist unglaublich spannend.“

Eine der Kernaufgaben besteht Forsters 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. Vakuum ist 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 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 Bipolar-Platten 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, die die Batteriehersteller mit Produktionsanlagen beliefern. Darüber hinaus kooperiert die Firma mit Batterieherstellern sowie Institutionen, die an der Weiterentwicklung von Batterietechnologien forschen.

Entwicklung vermehrt in Europa

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

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“, erklärt Forster. 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.

Sichere Prozesse durch Vakuum

Auch bei der Trocknung ist Vakuum unerlässlich, um 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“, führt Förster aus. Bei der Zellproduktion betreffe das die Lösungsmittel und die Elektrolyte, die tendenziell toxisch sind und die Pumpen und das Pumpenöl angreifen können. „Aber auch sehr warme Umgebungsbedingungen oder viel Luftfeuchtigkeit sind generell Umstände, die uns vor Herausforderungen stellen.“ Hier sind dann auch mal die Batteriehersteller gefragt, indem sie die korrekte Kühlung der Pumpe gewährleisten oder Kondensatoren einsetzen.

Projekte für gute Trocknungsergebnisse

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 mithilfe 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 mittels eines Heliumlecksuchers oder Massenspektrometers kleinste Lecks aufspüren. Unentdeckte Leckagen würden die Lebensdauer der Batterie dagegen stark verkürzen oder dazu führen, dass das hochreaktive Elektrolyt austreten könnte.

Zeitersparnis durch trockene Pumpen

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 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 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.

Vakuumtechnik spielt also in der Trocknung, Elektrolytbefüllung und Entgasung eine wichtige Rolle. „In allen drei Prozessschritten ist es unerlässlich“, unterstreicht 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.

Fortschritte bei der Energieeffizienz

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

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 heute sehr ökonomische Vakuumpumpen in der Batterieproduktion zur Anwendung kommen. Förster: „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.“