Dr. Forster: „Millionen Partikel, aber auch die Gasmoleküle selbst sind „Fremdkörper“, die die Batteriezellproduktion maßgeblich negativ beeinflussen“

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Dr. Forster: „Millionen Partikel, aber auch die Gasmoleküle selbst sind „Fremdkörper“, die die Batteriezellproduktion maßgeblich negativ beeinflussen“

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Autor: Die Redaktion

Veröffentlicht am: 15.02.2020
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Vakuumtechnik ist für verschiedene Schritte der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien prozesstechnisch qualitätsabsichernd- aber vor allem auch sicherheitsrelevant. Battery-News.de sprach mit Dr. Sina Forster, Business Development Managerin von Leybold, die seit Jahren in Themen der Vakuumtechnik für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien involviert ist, über prozesstechnische Herausforderungen und die Entwicklung der Technologie.
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Redaktion: Sehr geehrte Frau Dr. Forster, wie fanden Sie zu Ihrer heutigen Tätigkeit im Themenfeld der Vakuumtechnik für die Elektromobilität?

Dr. Sina Forster: Nach meiner Promotion habe ich bei Leybold als Produktmanager angefangen, das war mein Start in die Vakuumtechnik. Nach viereinhalb Jahren im Produktmanagement zog es mich mehr in Richtung Märkte und Applikationen und der Bereich E-Mobilität ist derzeit hoch aktuell. Aus Vakuumsicht waren wir in dem Bereich schon seit einigen Jahren aktiv und für mich ist es eine tolle Herausforderung, in diesem dynamischen Feld in Vakuum-Mission unterwegs zu sein. Die aktuellen Entwicklungen und Forschung begleiten zu können ist unglaublich spannend, täglich erreichen uns neue Meldungen zum Thema E-Mobilität und die nächsten Jahre werden sehr dynamisch bleiben.

Redaktion: Die Elektromobilität etabliert sich mehr und mehr auf dem internationalen und deutschen Markt. Seit wie vielen Jahren beschäftigen Sie sich als Unternehmen Leybold bereits mit Vakuumtechnik für die Elektromobilität?

Dr. Sina Forster: Eine der wichtigsten Aufgaben unsers Business Development Managements ist es, aus neuen Technologien und Entwicklungen potenzielle Vakuumapplikationen und Märkte abzuleiten – und dies möglichst frühzeitig. Im Fokus steht dabei auch, wie die Vakuumtechnik bestimmte Entwicklungen weitertreiben oder überhaupt erst ermöglichen kann. Oftmals ist die Erweiterung um eine Vakuumumgebung überhaupt erst der entscheidende Faktor, der für einen neuen Prozess noch fehlte.

So haben wir auch die Entwicklungen im Bereich Elektromobilität frühzeitig beobachtet und vor allem die Lithium-Ionen-Batterie frühzeitig als Vakuumapplikation erkannt. Anfangs gab es nur sehr wenige Informationen zum Herstellungsprozess der Lithium-Ionen Komponenten und so haben wir gemeinsam mit Organisationen wie dem VDMA und dem PEM der RWTH bei der Aufstellung eines „idealtypischen“ Herstellungsprozesses unterstützt. Bei uns steht die Lithium-Ionen-Batterie nun schon seit 2010 im Fokus und auch die Entwicklungen zur Brennstoffzelle verfolgen wir intensiv. Hier kommt nun langsam Fahrt auf, was wir sehr positiv sehen.
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Redaktion: Welche Institutionen können Sie heute mit Ihrer Vakuumtechnik beliefern?

Dr. Sina Forster: Vakuum kommt in verschiedenen Prozessschritten in der Elektrodenherstellung zum Einsatz aber auch in der Forschung und Entwicklung wird Vakuum benötigt. Wir arbeiten mit anderen Maschinen- und Anlagenherstellern zusammen, welche die Batteriehersteller mit Produktionsanlagen beliefern. Natürlich haben wir auch direkten Kontakt mit den Batterieherstellern sowie mit verschiedenen Forschungsinstituten und Universitäten, die an der Weiterentwicklung verschiedener Batterietechnologien forschen. Der Großteil der Serienproduktion findet derzeit in Asien statt, insbesondere China und Südkorea, wo wir mittlerweile auch lokal über umfangreiches Applikations- und Prozesswissen verfügen. Mit Blick auf die Forschung und Entwicklung in dem Bereich findet gerade ein großer Aufschwung in Europa statt, was für die EU und im Speziellen für Deutschland als Forschungs- und Produktionsstandort sehr vielversprechend ist.

Redaktion: Vakuumtechnik wird in zahlreichen Bereichen der Batteriezellproduktion aufgrund von Sicherheitsrelevanz, aber auch zur Ermöglichung von bestimmten Prozessen, wie z.B. der Aufbringung von Aktivmaterialien auf die Elektroden benötigt. Welche Prozesse der Lithium-Ionen-Batterieherstellung wären ohne Vakuumtechnik nicht oder kaum denkbar?

Dr. Sina Forster: Generell lässt sich sagen, dass Luft in vielen Produktionsumgebungen stört: Millionen Partikel, aber auch die Gasmoleküle selbst sind „Fremdkörper“, die den Produktionsschritt maßgeblich negativ beeinflussen oder gar unmöglich machen. So auch in der Batterieproduktion, bereits beim Mischen des Slurrys sind Partikeleinträge und Luftbläschen zu vermeiden, um ein qualitativ hochwertiges Slurry zu erreichen. Die meisten Mischer arbeiten daher unter Vakuum.

In der Trocknung ist Vakuum unerlässlich, um auch kleinste Rückstände an Lösungsmitteln und (Luft-)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 auswirkt. Sobald in den weiteren Prozessschritten mit Elektrolyt gearbeitet wird, bekommt das Vakuum einen Sicherheitsaspekt, denn viele verwendeten Elektrolyte sind sehr reaktiv und entzündlich. Hier ist Vakuum aus zwei Gründen unerlässlich: Zum einen für die Reinheit im Prozess, um bei der Elektrolytbefüllung und ggf. Entgasung keinen Partikel- oder Feuchtigkeitseintrag in die Zelle zu haben und zum anderen, um eine reaktionsarme Umgebung ohne bspw. Sauerstoff bereitzustellen, mit dem das Elektrolyt reagieren könnte.

Redaktion: Welche Prozesse, die eine Unterdruckatmosphäre benötigen, sind als solche besonders schwierig unter Unterdruck/Vakuum umsetzbar?

Dr. Sina Forster: Die größte Herausforderung ist immer das zu fördernde Gasgemisch – denn prinzipiell wird alles, was im Prozess gefördert und verarbeitet wird, auch durch die Vakuumpumpe transportiert. Bei der Zellproduktion sind das die Lösungsmittel und Elektrolyte, die tendenziell toxisch sind und die Pumpen und ggf. das Pumpenöl angreifen können. Aber auch sehr warme Umgebungsbedingungen oder viel Luftfeuchtigkeit sind generell Umstände, die unsere Applikationsexperten eher ungern sehen. Hier sind dann auch mal die Batteriehersteller gefragt, indem bspw. die korrekte Kühlung der Pumpe gewährleistet wird oder Kondensatoren eingesetzt werden.
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Redaktion: Sehen Sie Themen in der Batterieproduktion, die durch den Einsatz von Vakuumtechnik weiter verbessert werden könnten?

Dr. Sina Forster: Wir sehen, dass es in vielen Bereichen häufig keine etablierten Prozesse gibt, die nachweislich effizient sind. So ist beispielsweise die Vakuumtrocknung ein kundenindividueller Ablauf von Druck, Temperatur und Prozessgas (wie bspw. Stickstoff). Hier gibt es sicherlich ein Prozessdesign, das durch die optimale Nutzung von Vakuumdruck und Temperatur ein bestmögliches Trocknungsergebnis erreicht. Dazu laufen bereits Forschungsprojekte, bspw. ein industrienahes Forschungsprojekt unter Leitung des VDMA Batterieproduktion.

Auch die Lecksuche spielt eine große Rolle, da sie einen wichtigen Sicherheitsaspekt abdeckt. Für eine lange Lebensdauer der Batteriezelle und auch aus Sicherheitsaspekten muss die Zelle absolut dicht sein, was nur über eine Vakuumlecksuche geprüft werden kann. So lassen sich mit einem Heliumlecksucher oder mit Hilfe eines Massenspektrometers kleinste Lecks aufspüren, welche die Lebensdauer der Batterie stark verkürzen oder gar dazu führen würden, dass das hoch reaktive Elektrolyt austreten könnte.

Redaktion: Einige Bestandteile der Lithium-Ionen-Batterie, welche im Vakuum behandelt werden, sind leicht bis hoch toxisch. Wie schützen Sie die Umgebung und Ihre Technik vor Schadstoffen wie z.B. Flusssäure, während einer Verarbeitung in Vakuum?

 Dr. Sina Forster: Zum einen muss die Vakuumpumpe selbst den toxischen Gasen standhalten und zum anderen sollten die toxischen Medien weitestgehend im Prozess gehalten und entsprechend abgeführt werden.

Bei toxischen Gasen kommen überwiegend trockenlaufende Vakuumpumpen zum Einsatz. Ölgedichtete Vakuumpumpen sind meist ungeeignet, da das Pumpenöl durch die Gase angegriffen oder kontaminiert wird. Durch die Verwendung trockenverdichtender Pumpen sparen die Batteriehersteller Kosten und Zeit, da sie sonst regelmäßig und in kurzen Abständen das Pumpenöl wechseln müssten. Der Trend zu trockenen Pumpen ist deutlich spürbar, auch aus Umweltaspekten ist „wet to dry“ hochaktuell. Gerade im Prozessschritt der Elektrolytbefüllung und Entgasung wurden bislang vermehrt ölgedichtete Vakuumpumpen eingesetzt, die wir nun bei zahlreichen Kunden gegen trockenlaufende Vakuumpumpen austauschen.

Um für ausreichend Prozesssicherheit beim Umgang mit toxischen Gasen zu sorgen, kommen unsere hermetisch dichten Pumpen zum Einsatz: Diese Vakuumpumpen sind so konstruiert, dass nicht einmal kleinste Mengen des geförderten Gases austreten können. Gerade bei toxischen Elektrolyten ist das ein entscheidender Faktor! Schließlich steht auch die Arbeitssicherheit im Vordergrund.

Redaktion: Wenn wir zusammenfassend über Effizienzsteigerung und mehr Sicherheit durch Vakuum in der Zellproduktion sprechen, welche Rollen entfallen heute auf Vakuumtechnik und welche können noch in der Zukunft entstehen?

Dr. Sina Forster: Die Vakuumtechnik spielt eine bedeutende Rolle in der Trocknung, der Elektrolytbefüllung und der Entgasung – alle drei Prozessschritte wären ohne Vakuum – wenn überhaupt – nur schwer möglich. Eine Effizienzsteigerung ist durch Vakuum sicherlich in Hinblick auf die Batteriezelle zu erreichen, denn schon heute beeinflussen die Umgebungsbedingungen und damit die Reinheit im Prozess maßgeblich die Qualität der Batterie. Aber auch vorgelagerte Prozessschritte wie das Mischen in Vakuummischern, das Stapeln mit Vakuumgreifern oder die nachgelagerte Verpackung können mit Vakuumtechnik schneller und zuverlässiger abgewickelt werden.

Zukünftig lässt sich der Einfluss einer reinen Vakuumumgebung und wie genau diese zu spezifizieren ist, noch besser bestimmen. Mit der Entwicklung von individuell gekennzeichneten Elektrodensheets, die bspw. anhand von gelaserten QR-Codes durch den kompletten Produktionsprozess verfolgt werden können, lässt sich der Einfluss einzelner Prozessparameter auf die Batteriequalität zurückverfolgen.

Auch für die Sicherheit spielt Vakuumtechnik sowohl während der Zellproduktion als auch 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 bspw. in einem E-Auto vertrauen wir auf die Dichtheit der Batterie, die wiederum auch nur unter Vakuum geprüft und gewährleistet werden kann.

Es muss jedoch gesagt werden, dass Prozesse unter Vakuum immer mehr Energie benötigen als unter Atmosphärendruck. Hier konnten in den letzten Jahren jedoch enorme Fortschritte in Richtung energieeffizienter Pumpen erzielt werden, sodass wir heute sehr sparsame Vakuumpumpen in der Batterieproduktion einsetzen. So können wir uns heute auf die Kernfragen konzentrieren: Wie können wir über die effiziente Auslegung der Vakuumsysteme mehr Durchsatz, Sicherheit und Qualität in der Zellproduktion erreichen? Auch hier werden wir in den nächsten Jahren wohl viele wichtige Fortschritte machen.

Frau Forster, herzlichen Dank für das interessante Gespräch.
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