Batteriezellen sind ein zentraler Bestandteil moderner Technologien und gefragter denn je. Studien gehen von einem weltweiten jährlichen Batteriebedarf von bis zu 5.500 Gigawattstunden im Jahr 2040 aus. Im Jahr 2021 waren es noch 250 GWh. Doch die Produktion von Batteriezellen ist komplex. Anlagenbetreiber stehen gerade bei der Skalierung ihrer Produktionsprozesse vor einigen Herausforderungen. Wie lassen sich diese meistern, um maximale Sicherheit, Hygiene und Präzision sowie effiziente Produktionsabläufe zu gewährleisten?
Herausforderungen bei der Herstellung von Batterien
Batteriezellen sind das Herzstück zahlreicher Anwendungen und haben eine Große Bedeutung für die Elektromobilität, aber auch bei der Speicherung von erneuerbaren Energien wie Solar- oder Windkraft. Dabei werden schon beim Wiegen und Dosieren der Materialien für die Elektrodenpaste die Weichen für die Qualität der Batterien gestellt. Auch sind aufgrund der eingesetzten, zum Teil toxischen Materialien wie Lithium, Nickel oder Mangan höchste Sicherheits- und Sauberkeitsstandards erforderlich.
- Dosiergenauigkeit gewährleisten
- Vermeidung von Verunreinigungen
- Schutz vor Feuchtigkeit
- Kontaminationsrisiken minimieren
- Balance zwischen Produktionsvolumen und Produktqualität
Die Dosiergenauigkeit ist ein entscheidender Faktor für die Qualität und Sicherheit bei der Herstellung von Batteriezellen. Präzises Dosieren der benötigten Stoffe, wie Elektrolyten und Aktivmaterialien, sorgt dafür, dass die chemischen Prozesse in der Batterie optimal ablaufen und die Leistung sowie Lebensdauer der Batterien maximiert werden. Eine ungenaue Dosierung kann zu erheblichen Qualitätsproblemen führen, wie beispielsweise ungleichmäßiger Ladungsverteilung oder reduzierter Kapazität, was letztlich die Effizienz und Sicherheit der Batterie beeinträchtigt. Bei der Beleuchtung der Dosiergenauigkeit muss auch die Totlast berücksichtigt werden, die vor allem im Zusammenhang mit dem Leergewicht eines Behältnisses steht. Totlast bezieht sich auf nicht aktiv genutzte Materialmengen, die in den Dosiersystemen verbleiben. Diese kann Auswirkungen auf die Genauigkeit der Messung und im Umkehrschluss auch auf die Dosierung und somit Batteriezellqualität haben. Zusätzlich können Druckschwankungen innerhalb des Dosiersystems die Genauigkeit der Dosierung stark beeinflussen. Die Schwankungen treten häufig während des Nachfüllprozesses auf. Sie können dazu führen, dass die Menge des dosierten Materials variiert. Diese Variationen sind sehr problematisch, da selbst kleinste Abweichungen die Eigenschaften und Leistung der Batterie negativ beeinflussen können. Die richtige Dosiertechnik ist daher entscheidend, um solche Schwankungen im Prozess zu vermeiden und eine gleichbleibende Produktqualität sicherzustellen.
Die Vermeidung von Kontaminationen ist ein weiterer entscheidender Faktor bei der Herstellung der Zellen. Verunreinigungen, wie zum Beispiel Metallabrieb, können erhebliche Schäden verursachen, die zu Qualitätsverlusten oder sogar Ausfällen der Zellen führen können. Aufgrund von Metallabrieb können Kurzschlüsse innerhalb der Batteriezelle entstehen, was die Sicherheit der Batterie erheblich gefährdet. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Vermeidung von Kreuzkontaminationen, die entstehen, wenn verschiedene Komponenten oder Rohstoffe in einem Behälter gewogen werden und sich beispielsweise Materialablagerungen in Toträumen bilden. Um Staub- und Schmutzpartikel fernzuhalten, könnte theoretisch mit Überdruck in der Maschine gearbeitet werden. Allerdings erhöht dieser Ansatz das Risiko, dass bei einer Leckage gefährliche Stoffe in die Umgebung gelangen. Zudem besteht die Gefahr, dass Überdruck zu unerwünschten Druckschwankungen und damit entsprechenden Auswirkungen auf die Dosiergenauigkeit führt.
Viele der verwendeten Materialien sind hygroskopisch, daher lässt sich eine Reinigung der Produktionsanlagen bei auftretender Kontamination nicht so einfach realisieren. Feuchtigkeit kann die Qualität des Rohstoffgemischs negativ beeinträchtigen. Wenn die Stoffe mit Wasser reagieren, können sie sich zersetzen oder es entstehen unerwünschte aggressive Nebenprodukte. Möglich ist auch die Bildung toxischer Gase. Schon der Kontakt mit feuchter Luft kann zu einer Verschlechterung der Eigenschaften führen und somit die Batterieleistung einschränken. Daher sind strenge Maßnahmen erforderlich, um den Kontakt mit Feuchtigkeit zu verhindern.
Nicht zuletzt bestehen Kontaminationsrisiken im Umfeld der Anlagen, da bei der Batterieproduktion zum Teil toxische Schüttgüter verarbeitet werden. Eine unkontrollierte Freisetzung dieser Stoffe muss verhindert werden. Insbesondere das Nachfüllen der Wägebehälter bei Batch-Prozessen stellt eine Herausforderung dar, da die beim Nachfüllen verdrängte Luft nicht ungefiltert entweichen darf. Ein Unterdruck in der Maschine kann dabei helfen, Gefahrenstoffe innerhalb der Anlage zu halten und somit die Mitarbeiter umfassend zu schützen.
Der plötzliche und starke Anstieg der Nachfrage nach Batteriezellen und die damit verbundene Errichtung von gigantischen Batteriefabriken birgt eine Vielzahl von Herausforderungen. Das Ziel besteht darin, große Mengen an Batteriezellen zu produzieren und gleichzeitig eine konstant hohe Produktqualität sicherzustellen. Doch gerade beim Scale-up von Batteriefabriken können in den ersten Monaten des Hochfahrens Ausschussraten von bis zu 50 % entstehen, was zu erheblichen Materialverlusten in Millionenhöhe führen kann. Die hohen Kapitalinvestitionen und die anfänglichen Schwierigkeiten beim Erreichen stabiler Produktionsprozesse stellen sowohl organisatorische als auch finanzielle Herausforderungen dar. Die Fabrikplanung und -realisierung ist zudem durch hohen Kosten- und Volumendruck bei eingeschränkter Fachkräfteverfügbarkeit, einen hohen Energiebedarf und komplexe Ursache-Wirk-Zusammenhänge im Prozess geprägt.
Produktion von Batteriezellen: Es kommt auf Präzision, Hygiene und Sicherheit an
Die Herstellung von Batteriezellen erfordert die strikte Einhaltung von Qualitätsstandards, wobei die genaue Einhaltung der Rezeptur und die Vermeidung von Verunreinigungen im Vordergrund stehen. Dies bringt verschiedene Herausforderungen mit sich, die von den Anlagenlieferanten gelöst werden müssen.
Konstruktive und steuerungstechnische Maßnahmen
Die Auswahl geeigneter Waagen und der richtigen Dosiertechnik ermöglicht eine optimale Dosierung der Komponenten, erhöht die Prozesssicherheit und trägt letztendlich dazu bei, den ständig steigenden Anforderungen optimal gerecht zu werden.
Vermeidung von Metallabrieb
Grundsätzlich sollte bei der Planung der Verwiege- und Dosieranlage darauf geachtet werden, dass kein Metall-zu-Metall-Kontakt zwischen den beweglichen Teilen entsteht. Um metallischen Abrieb vollständig zu vermeiden, kann eine Beschichtung erforderlich sein. Statische Teile wie der Trog und der Auslauf können an den Stellen, an denen das Produkt in Kontakt kommt, mit PTFE (Polytetrafluorethylen) beschichtet werden. Für rotierende Teile wie Rührwerk und Schnecke ist eine Keramikbeschichtung empfehlenswert. Darüber hinaus sorgen glatte Oberflächen und eine kontrollierte Drehzahl der beweglichen Teile dafür, dass Abrieb weitestgehend vermieden wird.
Gezielter Umgang mit Feuchtigkeit und Minimierung von Kontaminationen
Schäden durch Luftfeuchtigkeit drohen, wenn bei sinkendem Füllstand in einem Wägebehälter Umgebungsluft in die Anlage eindringt. Der freiwerdende Raum sollte daher gezielt und kontinuierlich durch Einblasen von getrockneter Luft oder Stickstoff aufgefüllt werden. Um sicherzustellen, dass keine Verunreinigungen in die Umgebung entweichen, darf die Luft nur gefiltert aus der Anlage entweichen. Die Auswahl des Filters hängt dabei vom Containment-Konzept ab, wobei die spezifizierten Emissionen (OEB-Werte) nicht überschritten werden dürfen. Damit lassen sich Kontaminationsrisiken effektiv minimieren.
Intelligente Steuerungssysteme
Mit speziellen Controllern wie CONiQ® Control lassen sich Nachfüllvorgänge besser koordinieren und damit Druckschwankungen vermeiden. Denn besonders beim Befüllen der Wägebehälter sind Druckkompensationen erforderlich. Die Systeme überwachen den Nachfüllvorgang und stellen ein stabiles und gleichmäßiges Dosieren der Materialien sicher. So lässt sich der Ausschuss reduzieren und die Effizienz der gesamten Produktion steigern.
Präzise Dosierung von Batteriematerialien
Um Verwiege- oder Dosiervorgänge bei der Batterieherstellung zu optimieren, sind spezielle Dosierer wie das neue Differentialdosierwaagensystem CS+ von Qlar perfekt geeignet. Damit profitieren Kunden von einer nachhaltige Zuführungslösung, die auf zuverlässigen Containment-Konzepten aufbaut, um die Ausbreitung von schädlichen Substanzen oder Materialien zu kontrollieren. Wir unterstützen so bei der Skalierung von Batteriezellenproduktionen. Beim Design haben wir uns an den bewährten Produkten orientiert, ganz nach dem Ansatz „Design to Cost“, und bieten ein System, das einfach zu reinigen und zu warten ist. Das Differentialdosierwaagensystem CS+ ist speziell auf die Anforderungen der Elektrodenproduktion abgestimmt und eignet sich sowohl für kontinuierliche als auch für Batch-Prozesse zur Herstellung von Batteriemasse. Das System ermöglicht durch den modularen Aufbau eine flexible Anpassung an die Anforderungen des Kunden. Das Nachrieseln von Material wird ebenso verhindert wie die Entstehung von Metallabrieb. Intelligente Steuerungssysteme runden das innovative Konzept ab.
Fazit
Vom Lithiumcarbonat bis zum Lithiumhydroxid-Monohydrat, vom Grafitpulver bis zum Nickelpulver – mit geeigneten Waagen und Dosiergeräten lassen sich die strengen Anforderungen in der Batteriezellproduktion optimal erfüllen. Von zentraler Bedeutung sind die richtige Dosiertechnik und eine intelligente Steuerung der Befüll- und Nachfüllprozesse. Durch die Implementierung von Containment-Systemen und speziellen Filtern kann darüber hinaus verhindert werden, dass Partikel emittieren und so die Umgebung kontaminieren.
