Zuluft schafft Zukunft:

Optimale Bedingungen für die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien

Die Elektromobilität nimmt an Fahrt auf, die Energiewende benötigt zunehmend Speicher, um Schwankungen in der Stromproduktion auszugleichen, und immer mehr Unterhaltungselektronik ist mobil und damit batteriebetrieben.

Illustration: Prognosen für den Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien

Die Prognosen für den Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien überschlagen sich daher und werden regelmäßig nach oben korrigiert.

Während im Jahr 2015 der Kapazitätsbedarf für Lithium-Ionen-Batterien lediglich bei knapp 40 GWh lag, stieg er auf rund 700 GWh in 2022 an und wird für 2030 auf ungefähr 4.700 GWh geschätzt. Damit verhundertfacht sich in gerade einmal in 15 Jahren die benötigte jährliche Kapazitätsmenge von Batterien.

Elektromobilität zündet den Turbo

Haupttreiber dieser rasanten Entwicklung ist die Mobilitätswende. Die Akzeptanz sowie die Nachfrage nach elektrisch betriebenen Fahrzeugen steigen weltweit in hohem Tempo. Zudem werden viele Länder eine Neuzulassung von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor in Zukunft verbieten. Gleichzeitig wollen viele namhafte Automobilhersteller wie Daimler, Volvo, Fiat oder Hyundai in den nächsten zehn bis 15 Jahren ihre Flotte komplett elektrifizieren – um sich für die Zukunft gut aufzustellen und nebenbei ihre eigenen Ziele zur Emissionsreduktion einzuhalten.

Folglich wächst auch der Druck auf die Batterieproduktion. Bis 2030 müssen nach Prognosen der Unternehmensberatung McKinsey global rund 150 neue große Batteriefabriken ihre Produktion aufnehmen, um der hohen Nachfrage gerecht zu werden. Dabei sind vor allem eine energieeffiziente Herstellung und die konstante Sicherstellung der Produktionsqualität von höchster Priorität.

Luft nach Maß
entlang des gesamten Produktionsprozesses

Nur mit der passenden Luftqualität lassen sich qualitativ hochwertige Batterien herstellen.

Produktionsschritte verlangen strengste Reinraumbedingungen mit einem minimalem Partikeleintrag und einer besonders geringen Luftfeuchte, damit der Produktionsprozess effizient ist und die produzierte Batterie sicher funktioniert und maximale Leistung und Lebensdauer erbringen kann.

Dafür müssen einige hochspezialisierte Produktionsschritte durchlaufen werden, die entsprechend ihren Anforderungen individuell abgesichert sein sollten – auch in Sachen Luftqualität.

1. Mixing

Beim Mixing werden Pulver und flüssige Lösemittel miteinander gemischt und bilden als fertige Pasten oder Lacke das Ausgangsmaterial für die Anoden- und Kathodenproduktion. Da sich hier auch explosionsfähige Staub-Gas-Gemische bilden können, sind ATEX-geprüfte Filterlösungen für eine sichere Prozessumgebung und Entstaubung unabdingbar. Flüssig-Filtersysteme stellen zudem die Reinheit der Beschichtungen sowie deren Freiheit von Agglomeraten sicher.

2. Elektrodenherstellung

Bei der Anoden- und Kathodenproduktion wird die jeweilige Paste auf ein Trägermaterial aus Aluminium bzw. Kupfer aufgetragen. Damit weder Feinstaub die Reinheit gefährdet noch Feuchtigkeit in der Luft das Lithium reagieren lässt, sind Reinraumbedingungen mit möglichst niedrigem Taupunkt nötig. Mittels leistungsstarker HEPA H13 Hochvolumenstromfilter, Trocknungsrädern und einer Reinraumkontrolle sind beispielsweise ISO 3-Bedingungen nach ISO 14644 (es dürfen sich maximal 1.000 Partikel der Größe 0,1 Mikrometer in einem Kubikmeter Luft befinden) kein Problem – bei gleichzeitig hoher Energieeffizienz.

3. Trocknungsstrecke

Auch bei der Trocknung der Elektroden muss die Luft frei von Partikeln sein, da die frisch beschichteten Folien direkt mit heißer Luft „angeblasen“ werden. Temperaturen von 150-180° C erfordern widerstandsfähige Hochtemperatur-Kassettenfilter auf HEPA-H13-Niveau.

4. Zell-Assemblierung/Zellfertigung

Kathoden- und Anodensheets werden zugeschnitten und wechselweise mit einem Separator übereinander gestapelt und am Ende in einer Aluminiumfolie wasser- und staubdicht verpackt. Auch hier ist eine effektive HEPA-H13-Filtration gefragt. Ansonsten könnten die Elektroden durch Staubkörner Schaden nehmen oder Fremdkörper in die Batterie gelangen und dort Kurzschlüsse begünstigen.

5. Elektrolyt-Befüllung / Formierung

Nach dem Befüllen mit in der Regel flüssigem Elektrolyt werden die Batteriezellen erstmalig geladen. Da die Aluminiumfolie (Pouch) bereits verschlossen ist, muss die Umgebungsluft keinen Reinraumbedingungen mehr entsprechen. Hier reichen zuverlässige Filtrationssysteme ohne HEPA-Stufe aus.

6. Pack-Assemblierung/Paketfertigung

In der letzten Stufe werden die fertigen Zellen zu Modulen und Paketen zusammengefügt. Dieser Schritt kommt ebenfalls ohne Reinraumbedingungen aus. Eine darauf zugeschnittene Lösung steigert die Energieeffizienz der Gesamtanlage, ohne Kompromisse in kritischen Bereichen eingehen zu müssen. Eine permanente Luftqualitätskontrolle und die Durchführung von Schwachpunktanalysen wird in diesem und weiteren Prozessschritten empfohlen.

Von der Planung über die Installation bis zur Instandhaltung

Eine einheitliche Filterlösung, welche ein gleichbleibendes Level an Luftqualität im gesamten Produktionsprozess liefert, ist in der Praxis eine gängige Vorgehensweise. Jedoch ist sie hier mit den unterschiedlichen Anforderungen der einzelnen Produktionsschritte an die Prozessluft an vielen Stellen überdimensioniert, insbesondere mit den hohen Kosten für Reinraumfilter. Die Folge: energie- und wartungsintensive und damit kostspielige Filtersysteme, die zudem die Nachhaltigkeitsziele konterkarieren.

Freudenberg Filtration Technologies bietet für jeden Prozessschritt Lösungen, die auf die Bedingungen vor Ort zugeschnitten sind. Mit dem Batteriehersteller XALT Energy als Tochterunternehmen der Freudenberg Gruppe im Rücken sind die Herausforderungen der Praxis bekannt und die Entwicklung von Lösungen somit verlässlich, energieeffizient und praktikabel. Dabei begleitet Freudenberg Anlagenbauer im Entwicklungs- und Designprozess von Produktionsmaschinen, hilft bei der Einhaltung von geltenden Filtrationsstandards und bietet maßgefertigte Filterelemente und exakte CAD-Daten für einen einfacheren Planungsprozess. Für einen reibungslosen Betrieb sorgen dann leistungsstarke Filterelemente, digitale Lösungen für die Luft-, Korrosions- und Prozesskontrolle sowie ein umfangreicher Filter Management Service – inklusive Monitoring, Filtertausch und Entsorgung.

Zukunft nachhaltig gestalten

Der Aufschwung der Elektromobilität wird oft mit einem Start in ein neues, grünes Zeitalter gleichgesetzt. Damit das gelingt, müssen viele Faktoren wie ein funktionierendes Recyclingsystem, der Einsatz von Recyclingmaterialien in der Batterieproduktion sowie eine möglichst energieeffiziente Herstellung erfüllt werden.

Eine individuell an die Produktionsschritte angepasste Filtrationslösung mit anwendungsoptimierten Filterelementen ist ein Baustein dafür – und sorgt für eine zuverlässige und dabei besonders energieeffiziente Bereitstellung der Prozessluft.