Die Produktion von Lithium-Ionen-Batteriezellen nimmt in Deutschland Fahrt auf – die Automobilindustrie will die historische Dominanz von Batterieherstellern aus Südostasien reduzieren. Dies ist schon deshalb nachvollziehbar, weil ein Großteil der Wertschöpfung in der Elektromobilität mit den Batterien und besonders mit deren kleinsten Einheiten, den Batteriezellen, zu tun hat. Nur: Mit dem allgemeinen Wachstum der Branche steigt auch der Wettbewerbsdruck. Bei Lithium-Ionen-Zellen mögen die Preise für die kWh sinken – aber die Ansprüche an Qualität, Sicherheit und Zuverlässigkeit werden deswegen nicht geringer. Wollen Hersteller von Lithium-Ionen-Zellen zugleich die Effizienz in ihrem Produktionsprozess steigern und die Qualität der gefertigten Zellen verbessern, müssen sie ihre diversen Prozessschritte zuverlässig kontrollieren und ihre Prozesssteuerung optimieren. Die folgenden sieben Tipps liefern Beispiele dafür, wie dies gelingen kann.
1) In Vakuumtrockungsprozessen Energie sparen
Etliche Schritte im Prozess der Elektrodenherstellung finden in einem Vakuum statt. Darum ist es wichtig, die Luftqualität und die Luftfeuchtigkeit zu überwachen. Aber es gibt Batteriehersteller, die die Möglichkeiten des Monitorings und der Steuerung noch gar nicht nutzen. Bei der Herstellung der Anoden gibt es beispielsweise einen Vakuumtrocknungsschritt, in dem eine Vakuumpumpe zusammen mit der Luft auch die Feuchtigkeit evakuiert. Wenn ein Hersteller hier kontinuierlich die Restfeuchte überwacht, kann er den sinnvollen Endpunkt der Trocknung viel besser bestimmen. Dies ist deswegen so relevant, weil die Vakuumtrocknung ein sehr energieintensiver Prozessschritt ist. Wird die Restfeuchte aber kontinuierlich überwacht, ist es unnötig, den Trocknungsprozess länger auszudehnen als tatsächlich erforderlich. Ein konsequentes Monitoring des Trocknungsprozesses mithilfe von Gasanalysatoren kann bei der Vakuumtrocknung also für deutliche Energieeinsparungen sorgen.
2) Hardcase-Zellengehäuse schon vor dem Befüllen auf ihre Dichtheit prüfen
Wenn eine Lithium-Ionen-Batteriezelle über einen ausreichend langen Zeitraum mit der vorgesehenen Kapazität funktionieren soll, darf weder Wasserdampf durch ein Leck im Gehäuse in die Zelle eindringen, noch darf Elektrolyt aus der Zelle austreten. Darum ist es eine gute Idee, Zellen mit festen Gehäusen bereits auf ihre Dichtheit zu prüfen, bevor sie überhaupt mit Elektrolyt befüllt werden. Auf diese Weise lassen sich fehlerhafte Gehäuse – ob bei prismatischen, Rund- oder Knopfzellen – rechtzeitig ausschleusen. Es muss nicht mehr die bereits befüllte Batteriezelle verschrottet werden, und kein Elektrolyt wird mehr verschwendet. Es bietet sich an, für diese Gehäuse-Dichtheitsprüfung vor dem Befüllen der Zelle Helium als Prüfgas zu verwenden. Für solch eine Vakuumdichtheitsprüfung wird die assemblierte Batteriezelle zunächst evakuiert und dann mit Helium befüllt. Die mit Helium gefüllten Zellengehäuse werden nun in eine Vakuumkammer gelegt. Diese Kammer wird ebenfalls evakuiert, sodass Helium im Falle eines Lecks aus dem Inneren der Zelle in das Vakuum der Kammer austreten kann. Ein Helium-Vakuumlecksuchgerät ist in der Lage, das in die Kammer austretende Prüfgas sehr schnell zu erfassen – als quantitativen Indikator für die Leckgröße. Oft wird hier gegen eine Grenzleckrate von 10-6 mbar∙l/s geprüft. Das Resultat der Dichtheitsprüfung an Hardcase-Zellengehäusen noch vor dem Befüllen: ein höherer Durchsatz in der Batterieproduktion und eine Maximierung der Betriebszeit.
3) Exakte Kontrolle des Evakuierungsdrucks – für eine hohe Ausbeute
Mit Elektrolyt befüllt werden assemblierte Batteriezellengehäuse unter Vakuumbedingungen. Bei diesem Prozessschritt kann eine genaue Kontrolle des Evakuierungsdrucks dazu dienen, wiederholbare Bedingungen zu schaffen und eine hohe Ausbeute zu erzielen. Ist die Evakuierung nicht ausreichend und der Druck noch zu hoch, bedeutet dies, dass sich noch zu viel Luft in der Zelle befindet. Eine adäquate Befüllung der Zelle mit Elektrolyt ist dann unmöglich. Wird dagegen zu stark evakuiert und ist der Druck zu niedrig, beginnen die im Elektrolyt enthaltenen Lösungsmittel zu verdampfen, wodurch sich zugleich die Zusammensetzung des Elektrolyten unbeabsichtigt verändert. Um diesen wichtigen Prozessschritt zu überwachen, empfiehlt sich der Einsatz eines Kapazitätsmanometers (CDG). Es bietet nicht nur eine hohe Messgenauigkeit, sondern ist zugleich besonders resistent gegen Verschmutzungen. Dies sorgt beim Sensor des Messgeräts für eine lange Lebensdauer.
4) Explosive Gasgemische im Befüllprozess verhindern
Die Elektrolyte, die zum Befüllen der Batteriezellen im Vakuum benutzt werden, enthalten unterschiedlichste Lösungsmittel. Wenn diese verdampfen, entstehen potenziell sehr gefährliche Gase, die zu einer Explosion führen können. Werden beim Befüllprozess auch Gasanalysatoren eingesetzt, kann dieses Monitoring entscheidend dazu beitragen, bei der Elektrolytbefüllung im Vakuum die Sicherheit von Mitarbeitern und die der Produktionslinie zu gewährleisten. Denn mit solchen Gasanalysatoren realisiert ein Hersteller eine vorausschauende Prozessüberwachung und -steuerung und maximiert den Schutz vor potenziell explosiven Gasgemischen.
5) Im Takt der Produktion: End-of-Line-Prüfung an jeder einzelnen Zelle
End-of-Line-Prüfungen der Dichtheit sind der letzte und entscheidende Schritt für die Qualitätskontrolle an fertig befüllten Lithium-Ionen-Zellen. Inficon hat dafür eine einzigartige Methode entwickelt, die die Zuverlässigkeit und Genauigkeit herkömmlicher Methoden bei Weitem übertrifft: die direkte Elektrolyt-Dichtheitsprüfung. Diese neue direkte Nachweismethode weist Lecks an fertig befüllten Zellen nach, indem sie detektiert, ob und wie viel Elektrolyt durch ein etwaiges Leck in der Zelle in eine Vakuumkammer austritt. Die direkte Elektrolyt-Dichtheitsprüfung eignet sich ebenso für Zellen mit starren Gehäusen wie für Pouchzellen mit weichen, beutelartigen Gehäusen. Damit diese abschließende Qualitätssicherung an wirklich jeder einzelnen Zelle und im Takt der Produktion stattfinden kann, ist es wichtig, die Zykluszeit der Dichtheitsprüfung auf ein Minimum zu reduzieren. Dafür gibt es eine ganze Reihe von Möglichkeiten. Wählt man beispielsweise eine Vakuumkammer mit idealer Größe – das heißt, mit einem sehr kleinen, beim Test freibleibenden Totvolumen – reduziert sich die Evakuierungszeit bei der Prüfung. Auch besonders leistungsstarke externe Pumpen beschleunigen die Evakuierung. Hilfreich ist es zudem, die Zellen zuvor von Elektrolytresten aus dem Befüllprozess zu befreien, etwa durch eine Laserreinigung. Last but not least lässt sich das Prüfgerät in einer Multi-Kammer-Prüfstation betreiben. Dann entstehen bei der Prüfung keine Wartezeiten mehr durch das Beschicken oder das Evakuieren der einzelnen Vakuumkammer, und das Elektrolyt-Dichtheitsprüfgerät arbeitet fast kontinuierlich im Messbetrieb.
6) Mit Batch-Testing den Durchsatz maximieren
Neben der Verkürzung der Zykluszeiten hilft auch ein Batch-Testing-Ansatz dabei, eine End-of-Line-Prüfung im Takt der Produktion zu realisieren. Beim Batch-Testing wird eine größere Zahl von Batteriezellen gleichzeitig in einer Charge geprüft. Dadurch reduziert sich die effektive Prüfzeit für die einzelne Zelle auf einen Bruchteil der Zykluszeit der Dichtheitsprüfung. Wird dann in einem spezifischen Batch ein Leck detektiert, fallen allerdings weitere Testrunden in einer nachgelagerten Prüfstation an. Dabei wird dann die Chargengröße so lange halbiert, bis die undichte Zelle identifiziert ist. Dafür sind bei 16er-Batches vier Halbierungsschritte erforderlich, bei 64er-Batches sind es bereits sechs. Darum ist es wichtig, für einen Batch-Testing-Ansatz eine optimale Chargengröße zu wählen. Der zentrale Faktor ist dabei die typische Fehlerrate in der Produktion. Die Größe der Batches sollte so gewählt sein, dass der Durchsatz beziehungsweise die effektive Zykluszeit pro Zelle ein Optimum erreicht – unter Einbeziehung der typischerweise erforderlichen Nachtests.
7) Auch die Produktion von Festkörperbatterien optimieren
Bei der Produktion von Festkörperbatterien verbessert eine ALD-Beschichtung (Atomic Layer Deposition, Atomlagenabscheidung) der Rohmaterialien die Leistung der Batterien. Studien zeigen, welche Bedeutung eine gleichmäßige Beschichtung der Kathoden- und Elektrolytschichten hat. Hier führt das ALD-Verfahren zu Batterien mit längerer kalendarischer Lebensdauer, mit geringerer Gasentwicklung und mit verbesserter Sicherheit und Leistung. So bietet es sich an, die Kathoden- und Elektrolytschichtdicke beim Hochfrequenz-Sputterprozess in Echtzeit zu überwachen. Mit einem hochpräzisen Sensor und einem Steuergerät, das genaue Daten in Echtzeit liefert, wird ein Monitoring der Abscheidungsrate und der Schichtdicke auf atomarer Ebene möglich. Es sind Quarzkristall-Mikrowaagen (Quartz Crystal Microbalance, QCM), die die Gesamtschichtdicke mit hoher Auflösung ermitteln können. So verbessern sich Leistung und Ausbeute.
Fazit: Mehr Daten und Kontrolle führen zu mehr Effizienz und Qualität
Noch existiert in der Fertigung von Batteriezellen beträchtliches Optimierungspotenzial. Es wird in Zukunft darauf ankommen, Fertigungsprozesse noch besser zu überwachen und noch sinnvoller zu steuern. Geeignete Sensoren spielen dafür eine ähnlich große Rolle wie eine konsequente Automatisierung der Fertigungs- und Qualitätssicherungsprozesse. Letztlich stellen Fertigungseffizienz, Produktqualität und Rentabilität keine Gegensätze dar – sie bedingen einander.
Weitere Informationen zur Optimierung der Batteriefertigung liefert auch das umfassende Whitepaper mit dem Titel „24 Tipps, mit denen Sie Ihre Batterieproduktion ganz konkret verbessern“.
