Es kommt auf Präzision, Hygiene und Sicherheit an
Bei der Herstellung von Batteriezellen gelten höchste Qualitätsanforderungen. Eine genaue Einhaltung der Rezeptur und die Vermeidung von Kontaminationen sind besonders wichtig. Zudem müssen wegen der giftigen und leicht entzündlichen Materialien die Staubemissionen minimal gehalten werden. Herausfordernd ist dies insbesondere bei der Rohstoffdosierung.
Leistungsfähige und effiziente Batterien sind weltweit gefragt. Die Weichen für die Qualität der Zellen werden bereits beim Wiegen und Dosieren der Rohstoffe gestellt. Das Gemisch (Slurry) für die Elektrodenherstellung darf nicht verunreinigt werden. Leitfähige Partikel dürfen nicht zwischen die Separatorfolien gelangen, da ansonsten Kurzschlüsse drohen. Die Maschinen müssen zudem staubdicht sein, denn Materialien wie Graphit, Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt dürfen nicht austreten. Entscheidend für die Produktqualität ist nicht zuletzt die Mess- und Dosiergenauigkeit. Anlagenbauer müssen diese Zielkonflikte lösen.
Qualitätskriterien erfordern Kompromisse
Um eine gleichbleibend hohe Produktqualität zu gewährleisten, kommt es auf eine hohe Dosiergenauigkeit an. Bei den obligatorischen Batch-Prozessen muss die Waage sehr zuverlässig arbeiten. Falls die Wägebehälter sehr groß sind, leidet die Präzision jedoch unter der hohen Totlast. Wenn es Erschütterungen im Umfeld der Maschine gibt, kann das Nachrieseln von Schüttgut zum Problem werden. Das Wägesignal kann auch durch Druckschwankungen gestört werden, die es zu verhindern gilt.
Eine weitere Herausforderung ist es, Verunreinigungen im Slurry zu vermeiden. Diese können durch Metallabrieb von Maschinenteilen oder durch Kreuzkontaminationen entstehen, wenn beispielsweise in einem Behälter unterschiedliche Rohstoffe gewogen werden. Da auch Feuchtigkeit der Produktqualität schadet, sind die Produktionsanlagen schwierig zu reinigen. Bereits einströmende Luft kann sich negativ auswirken, da einige Schüttgüter hygroskopisch sind. Mithilfe von Überdruck in der Maschine wäre es theoretisch möglich, Staub- und Schmutzpartikel vom Slurry fernzuhalten. Allerdings leidet die Messgenauigkeit unter unerwünschten Druckschwankungen
Dass die Stoffe nicht unkontrolliert austreten dürfen, macht insbesondere das Nachfüllen der Wägebehälter bei Batch-Prozessen zu einer anspruchsvollen Aufgabe. Um Kontaminationsrisiken zu minimieren, darf die beim Nachfüllen verdrängte Luft nicht ungefiltert entweichen. Zwar kann Unterdruck dabei helfen, Schadstoffe innerhalb der Maschine zu halten. Er kann jedoch die Dosiergenauigkeit beeinträchtigen und begünstigt den Eintrag von Feuchtigkeit.
Anlagenbauer lösen Zielkonflikte
Um Verunreinigungen des Slurrys durch Metallabrieb zu vermeiden, sollte bei der Planung der Anlage Metall-zu-Metall-Kontakt vermieden werden. Dies kann durch Keramik- oder PTFE-Beschichtungen erreicht werden. Um den Abrieb zu verringern, kann eine Begrenzung der Umfangsgeschwindigkeit hilfreich sein. Erreicht werden kann dies durch eine geschickte verfahrenstechnische Auslegung der Dosierschnecke. Außerdem sollten keine Toträume in der Anlage vorhanden sein, denn dort können Materialrückstände zu Kreuzkontaminationen führen.
Auch Luftfeuchtigkeit kann zu Produktschäden führen, wenn zum Beispiel bei sinkendem Füllstand in einem Wägebehälter Umgebungsluft eindringt. Um das Schüttgut vor feuchter Luft zu schützen, sollte der frei werdende Raum kontinuierlich mit getrockneter Luft oder Stickstoff gefüllt werden (sog. „Beschleierung“). Daneben empfiehlt es sich, die Unterbrechungen des Dosiervorgangs kurz zu halten. Wenn Luft aus der Maschine entweicht, muss diese gefiltert sein. Die Auswahl des Filters hängt vom jeweiligen Containment-Konzept ab.
Damit die Messgenauigkeit nicht beeinträchtigt wird, sind konstante Druckverhältnisse in der Anlage notwendig. Beim Befüllen der Wägebehälter sind Druckkompensationen entscheidend. Hersteller wie Qlar haben spezielle Controller entwickelt, die den Be- und Nachfüllvorgang koordinieren und Druckschwankungen minimieren. Diese sind entscheidend für Qualität und Sicherheit der Produktion. Ungenauigkeiten durch Nachrieseln können mechanisch mit einer Klappe vermieden werden.
Zusammenfassend kann festhalten werden, dass die Anforderungen an Messgenauigkeit und Containment in der Produktion von Batteriezellen anspruchsvoll, aber lösbar sind. Konstruktive Maßnahmen verhindern Metallabrieb. Eine intelligente Steuerung der Be- und Nachfüllprozesse ist entscheidend für die Qualität. Das Schüttgut darf keinen Kontakt zur Umgebungsluft haben. Verdrängte Luft muss gefiltert werden und Druckschwankungen müssen minimiert werden, damit die Dosierwaage genau arbeitet. Ein durchdachtes Steuerungskonzept ist hierbei der Schlüssel zum Erfolg.
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