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Der Preisdruck auf Batteriehersteller wird mit der zunehmenden Zahl der Anbieter immer größer. Leistungsfähige optische Prüfsysteme ermöglichen ein großes Einsparpotenzial, wie unser Interview mit Jochen Sander zeigt.

Ein wesentlicher Faktor bei der Verlangsamung der Erderwärmung ist das weltweite Ziel, die CO₂-Emissionen drastisch zu senken. Die Netto-Null-Initiative baut dafür auf den Ausbau neuer ressourcenschonenderer Technologien.

„Battery-News. präsentiert einen Überblick zu bevorstehenden Konferenzen und Messen in Nordamerika mit Fokus auf Batteriethemen. Damit wird die Reihe der bevorstehenden Veranstaltungen zur Batterie weitergeführt. Eine Übersicht zu allen unseren Landkarten ist im Batterie-Atlas zu finden. Generelle Hinweise oder an dieser Stelle nicht aufgelistete Konferenzen und Messen können der „Battery-News“-Redaktion über das Kontaktformular mitgeteilt werden.

Allein im November erwarten Branchenakteure und Fachbesucher europaweit noch rund ein halbes Dutzend hochkarätige Events zu relevanten und innovativen Batteriezell- und Batteriespeicher- Themen. Battery-News.de hat alle wichtigen Informationen zu Veranstaltungsorten und -zeiten sowie die Themenschwerpunkte zusammengefasst.

Im Batterie-Markt gibt es aktuell viele neue Entwicklungen. Speziell bei der Herstellung von Elektrodenmassen können Anlagenbetreiber verschiedene Technologien und Maschinen einsetzen. Eine Produktionsmöglichkeit ist die kontinuierliche Herstellung mittels Doppelschneckenextrusion. Battery-News sprach mit Thorsten Stirner, Teamleiter Verfahrenstechnik bei Coperion, zu den Vorteilen dieses Prozesses und den Anforderungen bei einer Umstellung des aktuellen Mischprozesses. Battery-News: Im Bereich der Batterieherstellung – und speziell bei der Produktion von Batteriemassen – gibt es in den letzten Jahren viel Bewegung. Traditionell werden Elektrodenmassen oftmals diskontinuierlich hergestellt. Doch neue Entwicklungen zeigen, dass der Einsatz eines Doppelschneckenextruders im Rahmen einer kontinuierlichen Produktion eine immer größere Bedeutung einnimmt. Was sind die Vorteile einer Umstellung? Thorsten Stirner: Mit der Umstellung auf ein kontinuierliches Herstellungsverfahren und dem Einsatz von Doppelschneckenextrudern kann die Produktion im Hinblick auf die Kosten und Qualität optimiert werden. Bei der kontinuierlichen Produktion erfolgt ein fließender Übergang von einem Prozessschritt zum nächsten. Dafür müssen sämtliche Verfahrensschritte effizient aufeinander abgestimmt sein. Da für die kontinuierliche Produktion weniger manuelle Schritte als bei der traditionellen Herstellung nötig sind, ermöglicht sie einen höheren Automatisierungsgrad, einen reduzierten Personal- und auch Platzbedarf und dadurch geringere Betriebskosten. Mit einem höheren Automatisierungsgrad kann zudem die Formulierung exakt eingehalten werden. So ist eine reproduzierbare, gleichbleibend hohe Produktqualität sichergestellt. Battery-News: Herzstück der kontinuierlichen Produktion ist der Doppelschneckenextruder – welche Vorteile liefert diese Maschine? Thorsten Stirner: Doppelschneckenextruder sind Hochleistungsextruder, die den Prozess der Batterieherstellung optimieren können. Eine wesentliche Rolle bei der Qualität von Batteriemassen spielt die Homogenität der Slurries – hier punktet der Extruder besonders: Er verfügt über eine hohe dispersive Mischleistung, also dem Aufbrechen der festen Agglomerate. Das anschließende distributive Mischen und die Homogenisierung erzeugen als Resultat eine sehr homogene Masse und dadurch eine hohe Endproduktqualität. Je nach Material und Zustandsform der Inhaltsstoffe kann dieses an Maschinenteilen haften. Die ineinandergreifenden, dichtkämmenden Doppelschnecken der ZSK-Baureihe verhindern strömungsarme Zonen über die gesamte Länge des Verfahrensteils und ermöglichen dadurch eine optimale Selbstreinigung, die unter anderem einen einfachen Rezepturwechsel ermöglicht. Zudem bewirken sie einen konstant hohen Förderwirkungsgrad, reduzieren damit das Restmaterial im Extruder und ermöglichen eine materialeffizientere Produktion. Anlagenbetreibern ist es wichtig, schnell und flexibel auf Produktionsänderungen reagieren zu können. Diese Anforderung kann mit der kontinuierlichen Extrusion umgesetzt werden: Zum einem kann der Durchsatz des Extruders an den Produktionsprozess angepasst werden, so dass die extrudierte Elektrodenmasse direkt im Anschluss beschichtet werden kann. Dank eines einfachen Scale-up sind Produktionsbereiche zwischen 2 l/h bis 1.600 l/h, abhängig von der Maschinenbaugröße, realisierbar. Zum anderen können Rezepturänderungen, wie beispielsweise eine Reduktion oder Substitution toxischer Lösungsmittel ohne großen Aufwand umgesetzt werden. Durch die modulare Bauweise des Verfahrensteils des Doppelschneckenextruders können verschiedene Verfahrenszonen geschaffen werden, in denen je nach Rezeptur gefördert, gemischt, homogenisiert und entgast werden kann. Somit können anwendungsspezifische Spezifikationen individuell und flexibel durch eine Anpassung der Schnecken und einen geänderten Verfahrens-Aufbau umgesetzt werden. Auch hinsichtlich der Energiebilanz weist der Extruder Vorteile auf. Durch die Reduktion und Substitution von Lösungsmittel kann der Energiebedarf aufgrund kürzerer Trocknungszeiten verringert werden, so dass die Produktion klimafreundlicher erfolgen kann. Battery-News: Neben dem Extruder spielt auch das Thema Dosierung eine wichtige Rolle im Prozess. Können Sie uns erklären, warum Dosierer eine so große Bedeutung für die Endproduktqualität haben? Stirner: Coperion bietet Gesamtanlagen zur Batteriemassenherstellung an, in denen der Extruder und Dosierer eine zuverlässige Einheit bilden. Für die Qualität des Endproduktes ist die genaue und zuverlässige Dosierung ein wesentlicher Aspekt. Die gravimetrischen Feststoff- und Flüssigkeitsdosierer von Coperion K-Tron eignen sich ideal für diese Aufgaben, da sie eine sehr hohe Genauigkeit, große Zuverlässigkeit und Flexibilität bieten. Es steht eine Vielzahl von Dosierlösungen zur Auswahl, die alle auf der Grundlage von über 100 Jahren Erfahrung in der Materialhandhabung entwickelt wurden. Die „Smart Force Transducer“ (SFT)-Wägetechnologie in Kombination mit der neuen Generation der KCM-Dosiersteuerung ermöglicht hochgenaues Dosieren sogar in einem schwierigen Anlagenumfeld. Der dynamische Filteralgorithmus identifiziert und extrahiert kontinuierlich störende Massenkomponenten aus der Gewichtsmessung, selbst unter schwierigen Prozessbedingungen. Dank dieses digitalen Filters sind die SFT-Wägezellen in der Lage, eine genaue, stabile und zuverlässige Gewichtsmessung unter sämtlichen Betriebsbedingungen zu liefern. Bei der Produktion von Batteriemassen sind die Feststoffe oft schwerfließende Pulver. Hier eignen sich besonders Doppelschneckendosierer, da sie ein größeres Einlaufvolumen als Einfachschneckendosierer haben und so das Material zuverlässiger zum Auslauf bringen. Ob bei kleineren Dosierleistungen für Pilot- oder Entwicklungslinien oder größeren Leistungen für Produktionsanlagen, die Coperion K-Tron Dosierwaagen zeichnen sich durch einen breiten Drehzahlbereich aus, was zur Flexibilität der Rezepturgestaltung beiträgt. Sämtliche Dosierwaagen sind einfach zu demontieren und reinigen. Produktseitige Teile sind aus Edelstahl konstruiert und somit optimal für die Wash-in-Place-Reinigung geeignet. Für das bei der Batteriemassenherstellung erforderliche Containment sind Ausführungen bis zu einem OEB Level 4 erhältlich. Dank weiteren speziell entwickelten Optionen, wie der elektronischen Druckkompensation EPC oder der ActiFlow Schüttgut-Fließhilfe, tragen Coperion K-Tron Dosierer mit ihrer hochgenauen und zuverlässigen Dosierleistung wesentlich zum funktionierenden Herstellungsprozess und einer hohen Endproduktqualität bei. Neben der Technologie selbst sind aber auch die Flexibilität der Dosierer und die große Auswahl passender Optionen wesentliche Aspekte, damit die Gesamtanlage reibungslos funktionieren kann. Battery-News: Neben Extruder und Dosierer ist auch das Thema Schüttguthandling – und hier insbesondere das Thema Containment – ein wichtiger Punkt bei der Herstellung von Batteriemassen. Wie trägt Coperion diesem Thema Rechnung? Stirner: Da bei der Produktion toxische Stoffe zum Einsatz kommen, ist Containment (meist OEB-Level 3 bis 4) unerlässlich. Coperion liefert das Schüttguthandling, die Dosierung und Extrusion als komplettes System aus einer Hand; dabei planen, entwickeln und bauen wir ein entsprechendes Containment-Konzept für die komplette Anlage, so dass der Austritt von Gefahrstoffen verhindert wird. Von der Entleerung der toxischen Schüttgüter aus Gebinden wie Big Bags sowie der Dosierung der Rohstoffe in den Extruder erfolgt die Produktion unter entsprechend geschützten Bedingungen. Dazu gehören Maßnahmen zur Aspiration bei der pneumatischen Förderung wie Abluftfilter oder die staubdichte Auslegung von Komponenten, um nur einige Möglichkeiten zu nennen. Coperion konzipiert und baut seit mehr als 60 Jahren Gesamtanlagen. Durch diese langjährige Erfahrung und das entsprechende Know-how sind wir in der Lage, das von uns gelieferte System sicher für die Arbeitsumgebung und die Umwelt zu gestalten. Um ein konkretes Beispiel zu nennen, ist bei den Coperion K-Tron Dosierern z.B. die Zuführung staubdicht; der Dosierer,

„Battery-News.de“ präsentiert einen aktuellen Auszug europäischer Maschinen- und Anlagenhersteller, die auf sämtlichen Skalierungsstufen in der Batterieproduktion vertreten sind

Vor Kurzem hat das Batterie-Recycling-Unternehmen „cylib“ seine Pilotanlage in Aachen in Betrieb genommen. Während das Werk bereits 500 Kilogramm Altbatterien pro Tag verwerten kann, arbeitet das Start-up-Team schon an einer größeren Anlage.

Um ein Höchstmaß an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Umweltschutz zu gewährleisten, ist die Dichtheitsprüfung bei der Herstellung von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (FCEV) für den Automobilsektor von hoher Relevanz. Pfeiffer Vacuum begleitet Automobilhersteller in der Entwicklung von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen seit den frühen Anfängen dieser Technologie und ist daher ein wichtiger Partner bei der Bereitstellung von Lösungen für die Lecksuche. Sicherheit, Zuverlässigkeit und Umwelt Die Dichtheitsprüfung ist für den FCEV-Markt von besonderer Bedeutung, da sichergestellt werden muss, dass die strengen Sicherheits- und Betriebsstandards erfüllt werden.  So ist es obligatorisch, dass der Kraftstofftank als Wasserstoffspeicher und der Brennstoffzellenstapel (Stack), in dem Wasserstoff und Sauerstoff mithilfe der sogenannten kalten Verbrennung in elektrische Energie umgewandelt werden, auf Lecks getestet werden. Doch nicht nur der Tank und der Stack an FCEVs werden während der Produktion mehrfach geprüft, sondern auch viele andere Komponenten. Dies gilt sowohl für die betriebs- und kühlmedienführenden Bauteile im Wasserstoffkreislauf als auch für die in allen FCEVs ebenfalls vorhandenen Batteriekomponenten. Das richtige Verfahren der Dichtheitsprüfung finden Wasserstoff-Brennstoffzellenstapel als Herzstück eines FCEV stellen spezifische Herausforderungen an die Dichtheitsprüfverfahren. Die Länge aller Dichtungen innerhalb eines 120-kW-Brennstoffzellenstapels kann bis zu 1 km betragen und dies muss vollständig geprüft werden. Dieser Prozess wird zusätzlich dadurch erschwert, dass die Dimensionen der funktionsrelevanten Lecks für das menschliche Auge nicht mehr sichtbar sind. Eine einfache visuelle Prüfung reicht also nicht aus. Eine Reparatur ist erst dann möglich, wenn vorhandene Lecks lokalisiert sind. Aufgrund der Risiken, die mit der Verwendung von Wasserstoff als brennbarem oder explosiblen Medium einhergehen, gilt die Lecksuche im Produktionsprozess von Brennstoffzellen als sicherheitsrelevanter Aspekt. Aktuell kommen in der Industrie eine Vielzahl an Dichtheitsprüfverfahren und Testgeräten zum Einsatz. Eine Hilfestellung bei der Auswahl von Verfahren geben Normen aus dem Bereich der Dichtheitsprüfung wie die DIN EN 1779 oder die DIN EN ISO 20485, in denen unterschiedliche Methoden zur Dichtheitsprüfung genannt und Verfahrenshinweise gegeben sind. Die Bandbreite der Methoden reicht dabei von Dichtheitsprüfverfahren mit Luft (Druckänderungs- und Durchflussverfahren) bis hin zu Spürgasverfahren mit Wasserstoff, Helium oder Gemischen der beiden selektiv nachzuweisenden Gase. „Der große Verdienst der bereits im Jahre 1999 veröffentlichten DIN EN 1779 ist die systematische Einteilung der wichtigsten industriell eingesetzten Dichtheitsprüfverfahren und die Entscheidungshilfe anhand von drei klaren Kriterien”, erklärt Dr. Rudolf Konwitschny, Lecksuch-Experte bei Pfeiffer Vacuum. Diese Kriterien sind: Nach Anwendung dieser Entscheidungshilfen bleiben nach Norm sieben quantitative integrale Dichtheitsprüfverfahren auf der Basis von Luft oder Prüfgasen übrig, die potenziell für die Prüfung einer druckbeaufschlagten Komponente geeignet sind. Abbildung 1: Auswahlkriterien der Dichtheitsprüfverfahren nach DIN EN 1779 Für eine integrale Dichtheitsprüfung kommen nach dieser Vorauswahl sowohl Verfahren mit Luft als auch Verfahren mit Prüfgasen in Betracht. Diese Entscheidung wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Die Verwendung von Luft in der Dichtheitsprüfung bietet die Vorteile, dass ein geringer apparativer Aufwand nötig ist, Luft im Vergleich zu Spürgasen kostengünstig und schnell verfügbar ist und günstige Testgeräte zum Einsatz kommen. Nachteile sind die beschränkte Nachweisempfindlichkeit (Leckageraten nach Norm bis minimal 1E-4 mbarl/s) und Einflussfaktoren wie Temperatur und Volumen. Die Stärken von Dichtheitsprüfungen mit Luft liegen in erster Linie in Anwendungen unter isothermen Bedingungen und mit kleinen Volumina. „Eine Reihe von Dichtheitsprüfungen können z. B. mit der Differenzdruckmethode (die misst, wie viel Luft aus dem Prüfbehälter im Vergleich zu einem Referenzvolumen verloren geht) oder mit Durchflussmethoden durchgeführt werden“, sagt Konwitschny. Diese Methoden werden auch in den Industrievorschriften ausdrücklich genannt. Die ISO 22734, die unter anderem Dichtheitsprüfungen an Elektrolyseuren beschreibt, führt aus, dass die Zellstapel einer gemeinsamen Druckprüfung unterzogen werden müssen, bei der die Sauerstoff- und Wasserstoffseiten der einzelnen Stacks an eine gemeinsame Druckquelle angeschlossen werden und simultan getestet werden. Auch die Prüfbedingungen sind in der Norm festgelegt: Der Druck sollte nicht unter dem maximalen Betriebsdruck liegen und die Prüfdauer sollte mindestens zwei Minuten betragen. Darüber hinaus werden genaue Temperaturbedingungen aufgeführt, aber es gibt keine Erklärung für den Einfluss dieser Parameter auf das Testergebnis. Laut Konwitschny ist dies ein wichtiger Aspekt, den die Hersteller beachten müssen. Grundsätzlich treffen luftbasierte Dichtheitsprüfverfahren auf physikalische Grenzen. Die Temperatur ist dabei einer der wichtigsten Umgebungsparameter. Diese muss sehr genau eingehalten werden, denn je nach Größe und Volumen des zu prüfenden Teils kann dies einen großen Einfluss auf den Messwert eines Druckaufnehmers haben. Konwitschny erklärt: „Bei Teilen wie der Bipolarplatte einer Brennstoffzelle sprechen wir von einer Temperaturkonstanz im Bereich von 0,1 °C oder sogar darunter. Dies ist einer der Gründe, warum wir bei vergleichenden Messungen in unserem Applikationslabor eine breitere Streuung der Messwerte mit Durchflussverfahren im Vergleich zu Prüfgasverfahren ermittelt haben. Messmittel- und Prozessfähigkeit von Prüfgasverfahren sind nach unseren Erfahrungen überlegen. Mit dem Prüfgas Helium oder heliumhaltigen Gemischen erzielt man dabei wegen des niedrigeren und konstanteren Untergrundsignals im Vergleich zu Wasserstoff noch bessere Ergebnisse.“ Die Unmöglichkeit der perfekten Kontrolle der Prüfumgebung führt zusammen mit Spezifikationen für die Nachweisgrenze unterhalb von 1E-4 mbarl/s in vielen Anwendungen zwingend zum Einsatz von Prüfgasen. Spürgase wie beispielsweise Helium verursachen höhere Kosten als der Einsatz von Luft, haben aber den Vorteil, dass niedrigere Nachweisbarkeitsgrenzen und oftmals kürzere Taktzeiten möglich sind. Die Entscheidung zwischen Luft und Spürgas sollte also vor dem Hintergrund der vorherrschenden Rahmenbedingungen und der Anforderungen an die Dichtheitsprüfung getroffen werden. Ein weiteres maßgebendes Auswahlkriterium für das Dichtheitsprüfverfahren sind Investitions- und laufende Kosten. „Wenn Sie Ihre Produktion mit geringen Stückzahlen beginnen, sind die anfänglichen Kosten für das Prüfsystem wichtig, weil Sie diese auf das Teil, das Sie produzieren wollen, aufteilen müssen. Bei einer Großserienproduktion sind die Kosten für ein Prüfgerät vernachlässigbar. Stattdessen sind Sie absolut auf Geschwindigkeit und Betriebskosten fokussiert: Sie brauchen ultrakurze Zykluszeiten“, führt Konwitschny aus. Zudem stellt sich die Frage, was mit Bauteilen geschehen soll, welche bei der integralen Prüfung das festgelegte Gut/Schlecht-Kriterium überschreiten. Kann man wegen der Anforderungen einer Großserienproduktion den Verlust einer einzelnen Bipolarplatte vielleicht noch tolerieren, so ist ein Stack auf jeden Fall ein Bauteil, bei dem sich die Lecklokalisierung und die Nacharbeit lohnen. Für die Lokalisierung von Lecks sind nur Prüfgasmethoden praktikabel. Ein selektiver Nachweis an Luft ist nur mit spezifischen Spürgasen wie Helium möglich. In der Wasserstoffwirtschaft ist Helium wegen seiner chemischen und elektrischen Inertheit, Selektivität und Nachweisgrenze wasserstoffhaltigen Gasgemischen überlegen. FCEV-Dichtheitsprüfsysteme von Pfeiffer Vacuum Pfeiffer

Im schnell wachsenden Markt der E-Mobilität werden an die Batteriezellenproduktion hohe Anforderungen hinsichtlich Geschwindigkeit und Effizienz gestellt. Um diese zu realisieren, sind performante PC-basierte Automatisierungslösungen nötig, mit denen sich komplexe Prozesse, von der Elektrodenfertigung bis zur Modul- und Packmontage, auf einer zentralen Plattform steuern lassen.

„Battery-News.de“ präsentiert eine aktuelle Übersicht zu geplanten und bereits umgesetzten Projekten im Bereich des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien in Nordamerika. Die entsprechenden Daten stammen wie gewohnt aus offiziellen Mitteilungen der jeweiligen Akteure und aus seriösen Quellen zum Batterie-Recycling.