Exkurs: Vakuumtechnik in der Batterieproduktion 

Autor: Maximilian Geilen

Veröffentlicht am: 06.02.2020

Der Herstellungsprozess heutiger Lithium-Ionen-Batterien für mobile Anwendungen basiert auf einer Vielzahl von Spezialanwendungen. Eine insbesondere für die Produktion von Batteriezellen relevante Technik ist die Vakuumtechnologie. Diese macht einige Prozesse der Batterieherstellung erst möglich und steigert bei anderen die Reinheit, Qualität und Sicherheit der Lithium-Ionen-Batteriezelle.  

Innerhalb des Herstellungsprozesses der Lithium-Ionen-Batterie werden in der Elektrodenfertigung, der Zellassemblierung und auch im Zell–Finishing unterschiedliche Vakuumtechnologien benötigt, welche im Folgenden beleuchtet werden sollen:  

In der Elektrodenfertigung wird ein Vakuum zur Herstellung der für Anode und Kathode benötigten Aktivmaterialien benötigt. Hierbei werden dünnflüssige Pasten „Slurries“ in einem Mischbehälter hergestellt. Zur Herstellung einer homogenen Masse mit definierter Viskosität und Reinheit und insbesondere zur Vermeidung von Gaseinschlüssen wird dabei auf eine Vakuumatmosphäre zurückgegriffen. Nach der Aufbringung der Aktivmassen auf die Trägerfolien wird auch bei der Trocknung Elektroden im Vakuum gearbeitet. Hier kommt dem Vakuum die Aufgabe zu, Luftfeuchtigkeit aus dem Prozess auszuschließen und Restbestandteile von vorab benötigten Lösungsmitteln über die Unterdruckatmosphäre zu entfernen, da beide Stoffe der Leistungsfähigkeit der Batteriezelle schaden. 

Neben der Verbesserung der chemischen Eigenschaften der Grundbestandteile der Batterie, wird die Technologie auch für mechanische Aufgaben innerhalb der Zellassemblierung genutzt. Vakuumgreifer positionieren hier mehrere Lagen aus Kathoden– und Anodensheets, getrennt durch einen Separator, schonend zu einem Zellverbund. Bei der Herstellung von Pouch-Zellen wird zudem ein Vakuumtiefziehverfahren benötigt, um die Pouchfolien für die Befüllung mit dem Elektrolyten vorzubereiten. Für die Befüllung der Zellen mit dem flüssigen Elektrolyten wird wiederum eine Vakuumqualität von mindesten 0,01 mbar benötigt, die zum einem das gleichmäßige Verteilung des Elektrolyten und zum anderen die bereits benannten Störfaktoren von Gaseinschlüssen und Luftfeuchtigkeit ausschließt.  

Auch im Zell-Finishing wird im Unterdruckbereich gearbeitet, um die Gastasche der Pouchzelle sicher zu entfernen. In dieser sammeln sich gasförmige Reaktionsprodukte, die nach zusammentreffen aller chemischen Bestandteile im Zellraum entstanden sind. Der Rückfluss der Gase in die Zelle wird verhindert und der Eintritt von Luftfeuchtigkeit ausgeschlossen. Zuletzt werden bei jeder Zelle verschiedene Sicherheits- und Funktionstests abgenommen, zu denen auch ein Leckagetest gehört. Beim Leckagetest wird schon bei der Befüllung der einzelnen Batteriezellen mit Elektrolyten eine gewisse Menge an Inertgas, meist Helium, hinzugegeben. Die fertig produzierte Zelle wird dann zur Prüfung in einer Unterdruckkammer platziert, während ein Detektor die Zelle auf Heliumaustritt untersucht und somit die Dichtigkeit der Zelle verifiziert. 

Weitere Informationen zum Thema Vakuumtechnik für Lithium-Ionen-Batterien unter: 

https://www.leybold.com/en/downloads/download-documents/brochures/