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Batteriemasse-Herstellung Lithium-Ionen-Batterien in der Kontiproduktion herstellen

Redakteur: Sabine Mühlenkamp

Der mehrstufige Prozess für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien ist sehr komplex, vor allem das kontrollierte Dispergieren der Partikel in der Elektrodenpaste erfordert extrem viel Know-how. Bisher war dies nur chargenweise möglich. Nun wurde hierfür ein neuer kontinuierlicher Produktionsprozess entwickelt.

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In dem Zweiwellenextruder werden mehrere Schritte, wie Mischen, Dispergieren und Entgasen in einem Aggregat vereint.
In dem Zweiwellenextruder werden mehrere Schritte, wie Mischen, Dispergieren und Entgasen in einem Aggregat vereint.
(Bild: Bühler)

Die erfolgskritische Komponente des Elektrofahrzeugs ist die Batterie. Reichweite, Geschwindigkeit, Gewicht und Kosten – der Energiespeicher beeinflusst alles. Lithium-Ionen-Batterien bieten eine hohe Sicherheit und Qualität und eignen sich deshalb optimal für die Verwendung in Elektrofahrzeugen. Ein weiteres Einsatzgebiet solcher Batterien ist die Zwischenspeicherung etwa von Sonnen- oder Windenergie. Daher ist in den nächsten Jahren von einer massiven Erweiterung der weltweiten Produktionskapazitäten für Lithium-Ionen-Batterien auszugehen.

Feines Dispergieren verbessert die Batterieleistung

Der Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien ist mehrstufig und äußerst komplex. Ein zentraler Prozessschritt ist die Nassaufbereitung der Elektroden-Slurries, die anschließend auf die Elektrodenfolien aufgetragen werden. Die Qualität dieser Pasten beeinflusst direkt die Leistung der Zellen. Ein kritischer Erfolgsfaktor ist ein schonendes und kontrolliertes Dispergieren: Die aktive Komponente wie etwa nanoskaliges Lithium-Eisen-Phosphat darf nicht in ihrer Struktur verändert, sondern lediglich fein im Trägermedium dispergiert werden.

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Ihre poröse Struktur muss erhalten bleiben. Um die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Aktivpartikeln sicherzustellen, werden zusätzlich lange Kohlenstoffketten beigemischt. Auch diese dürfen nicht durchtrennt, sondern nur fein dispergiert werden. Je besser dieser so genannte Leitruß dispergiert wird und in seiner Form bestehen bleibt, desto höher kann die fertige Batterie kurzzeitig belastet werden. Für eine maximale elektrochemische Performance muss sich die Beanspruchung der einzelnen Partikel während der Dispergierphase deshalb exakt beherrschen lassen.

Bislang wird diese Mischung in großen Rührbehältern erzeugt – überdimensionierten Küchenknetmaschinen ähnlich. Die Nachteile: Die Elektrodenmasse lässt sich nur chargenweise herstellen (Batch-Prozess). Erfüllt eine Charge nicht die Qualitätsanforderungen, kommt sie in den Ausschuss oder wird für qualitativ mindere Produkte eingesetzt. Auch brauchen die Anlagen für diesen Prozess viel Platz und Zeit.

Im Gegensatz dazu bringt Bühler in seinem Verfahren als Kernmaschine einen gleichdrehenden Zweiwellenextruder zum Einsatz. Durch die flexibel konfigurierbaren Schnecken können verschiedene Schritte wie etwa Mischen, Homogenisieren, Dispergieren und Entgasen in einem einzigen Aggregat vereint werden. Dank unterschiedlichen Zugabestellen für Feststoffe und Flüssigkeiten lässt sich die Feststoffkonzentration und damit die Viskosität jederzeit verändern. So können die Misch- und Dispergierprozesse genau an die Anforderungen der teilweise empfindlichen Rohstoffe angepasst werden.

Durch die kompakte Bauform des Extruders wird auch nur ein Bruchteil des Volumens einer konventionellen Slurry-Aufbereitung im Batch-Verfahren benötigt. Weil die eingesetzten Materialien zum Teil empfindlich auf Luftfeuchtigkeit reagieren und die Produktionsumgebungen als Trockenräume ausgestaltet sind, schlägt sich dieser geringere Platzbedarf unter dem Strich in niedrigeren Gesamtkosten nieder. Die Inline-Qualitätssicherung vermindert Ausschuss. Genauso anspruchsvoll wie der Dispergierprozess ist auch die Dosierung der einzelnen Komponenten. Damit die Paste bei einer direkten Weiterverarbeitung immer die richtige Zusammensetzung hat, muss jederzeit die exakte Rezeptur erstellt werden.

Partikelgröße während des Prozesses kontrollieren

Die neu entwickelte Qualib-Einheit von Bühler – eine Inline-Qualitätskontrolle der Paste nach dem Dispergierprozess – erfasst ständig wichtige Produktparameter und kontrolliert, ob sich diese innerhalb der definierten Toleranzen befinden. Ist dies nicht der Fall, wird die Paste automatisch in einen gesonderten Behälter umgeleitet. So kann der Ausschuss an Elektroden und Zellen auf ein Minimum reduziert werden, wodurch sich Produktivität und Wirtschaftlichkeit der Batteriehersteller erhöhen.

Die Tests, die Bühler in seinem eigenen Labor in Uzwil und in seinem Batterielabor in Wuxi/China, durchführt, zeigen vielversprechende Resultate. So kann der Ausschuss an Elektroden und Zellen, der auf eine mangelhafte Slurry-Herstellung zurückzuführen ist, signifikant reduziert werden.Powtech: Halle 4, Stand 491

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