Schon beim Wiegen und Dosieren der Rohstoffe für die Elektrodenherstellung werden die Weichen für die Qualität der Batteriezellen gestellt. Die Messgenauigkeit ist entscheidend für die spätere Produktbeschaffenheit. Das Gemisch (Slurry) darf zudem nicht verunreinigt werden. Wenn leitfähige Partikel zwischen die Separatorfolien gelangen, drohen Kurzschlüsse. Nicht zuletzt müssen die Maschinen staubdicht sein, damit potenziell toxische Verbindungen aus Materialien wie Graphit, Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt nicht austreten. Bei der Umsetzung dieser Anforderungen kann es zu Zielkonflikten kommen, für die Anlagenbauer bei der Planung und Konstruktion der Produktionsmaschinen Lösungen finden müssen. Darauf wird im Folgenden näher eingegangen.

Qualitätsanforderungen und Zielkonflikte

Die Dosiergenauigkeit ist ein entscheidender Parameter bei der Herstellung von Batteriezellen, um eine gleichbleibende Produktqualität zu gewährleisten. Messfehler können sich negativ auf die Leistung und Zuverlässigkeit der Batterien auswirken. Die Dosierwaage muss deshalb bei den obligatorischen Batch-Prozessen sehr zuverlässig und genau arbeiten. Die Dosiergenauigkeit leidet jedoch aufgrund der großen Totlast, wenn die Wägebehälter sehr groß sind. Auch das Nachrieseln von Schüttgut ist ein Problem, falls bei vorbereiteter Charge der Sollwert schon erreicht wurde und anschließend durch äußere Einflüsse (z.B. Erschütterungen) ungewollt weiteres Material im Mischbehälter landet. Nicht zuletzt stören Druckschwankungen das Wägesignal. Diese zu vermeiden, gehört zu den Herausforderungen bei der Produktion von Batteriezellen.

Auch Verunreinigungen im Slurry beeinträchtigen die Produktqualität. Metallischer Abrieb von Maschinenteilen kann zu Kurzschlüssen führen, die ein Sicherheitsrisiko darstellen. Darüber hinaus besteht die Gefahr von Kreuzkontaminationen, wenn verschiedene Rohstoffe in einem Behälter gewogen werden und sich bspw. Materialablagerungen in Toträumen bilden. Die Reinigung der Produktionsanlagen ist schwierig, da auch Feuchtigkeit den Rohstoffen und dem Gemisch schadet. Einige Schüttgüter sind hygroskopisch, weshalb bereits einströmende Luft die Qualität des Slurry beeinträchtigen kann. Um Staub- und Schmutzpartikel vom Slurry fernzuhalten, könnte theoretisch mit Überdruck in der Maschine gearbeitet werden. Im Falle einer Leckage besteht dann jedoch ein erhöhtes Kontaminationsrisiko für das Personal in der Umgebung der Anlage. Zudem erhöht sich dadurch die Wahrscheinlichkeit unerwünschter Druckschwankungen, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen.

Nicht zuletzt bestehen Kontaminationsrisiken im Umfeld der Anlagen, da bei der Batterieproduktion zum Teil toxische Schüttgüter verarbeitet werden. Eine unkontrollierte Freisetzung dieser Stoffe muss verhindert werden. Insbesondere das Nachfüllen der Wägebehälter bei Batch-Prozessen ist anspruchsvoll, da die beim Nachfüllen verdrängte Luft nicht ungefiltert entweichen darf. Unterdruck in der Maschine kann dabei helfen, Schadstoffe innerhalb der Anlage zu halten. Allerdings führt die Nutzung von Unterdruck zu anderen Problemen, darunter Beeinträchtigungen der Dosiergenauigkeit und Eintrag von Feuchtigkeit.

Lösungen durch Konstruktion und Steuerung

Um Verunreinigungen des Slurry durch Metallabrieb zu verhindern, gibt es mehrere Möglichkeiten. Zunächst sollte bereits bei Planung der Anlage darauf geachtet werden, dass kein Metall-zu-Metall-Kontakt zwischen den beweglichen Teilen besteht. Durch konstruktive Maßnahmen, bspw. durch Einsatz einer Keramik- oder PTFE-Beschichtung, kann metallischer Abrieb vermieden werden. Hilfreich ist auch eine Begrenzung der Umfangsgeschwindigkeit, um den Abrieb zu verringern. Dies kann durch eine geschickte verfahrenstechnische Auslegung der Dosierschnecke erreicht werden. Um Kreuzkontaminationen zu verhindern, sollten keine Toträume in der Anlage vorhanden sein.

Schäden durch Luftfeuchtigkeit drohen, wenn bei sinkendem Füllstand in einem Wägebehälter Umgebungsluft in die Anlage eindringt. Der freiwerdende Raum sollte daher gezielt und kontinuierlich durch Einblasen von getrockneter Luft oder Stickstoff aufgefüllt werden. Diese Beschleierung verhindert, dass Schüttgut mit feuchter Raumluft in Berührung kommt. Die Unterbrechungen des Dosiervorgangs beim Nachfüllen müssen jedoch so kurz wie möglich gehalten werden, um ein Eindringen von Umgebungsluft zu vermeiden. Bei der Konstruk­tion ist deshalb darauf zu achten, dass die Luft nur gefiltert aus der Anlage entweichen kann. Die Auswahl des Filters ist abhängig vom Containment-Konzept, wobei die spezifizierten Emissionen nicht überschritten werden dürfen.

Damit die Messgenauigkeit nicht beeinträchtigt wird, sind konstante Druckverhältnisse in der Anlage erforderlich. Insbesondere beim Befüllen der Wägebehälter sind Druckkompensationen erforderlich. Dafür haben Hersteller wie Qlar (vormals Schenck Process) spezielle Controller entwickelt, die den Nachfüllvorgang koordinieren und damit dafür sorgen, dass möglichst keine Druckschwankungen entstehen. Sie sind entscheidend für die Qualität und Sicherheit der Produktion. Ungenauigkeiten durch Nachrieseln lassen sich mechanisch mit einer Klappe vermeiden.

Fazit

Die Anforderungen an Messgenauigkeit und Containment bei der Produktion von Batteriezellen sind nicht trivial, sie können aber in der Regel mit vertretbarem Aufwand gelöst werden. Die Vermeidung von Metall­abrieb wird durch konstruktive Maßnahmen sichergestellt. Von zentraler Bedeutung für alle weiteren Qualitätsanforderungen ist eine intelligente Steuerung der Be- und Nachfüllprozesse. Umgebungsluft darf keinen direkten Kontakt mit dem Schüttgut haben. Die verdrängte Luft darf nicht ungefiltert nach außen entweichen und Druckschwankungen müssen so gering wie möglich gehalten werden, damit die Dosierwaage genau arbeitet. Das Steuerungskonzept ist der Schlüssel, um diesen Anforderungen trotz einiger Zielkonflikte gerecht zu werden.

Autor:

   Tim Wunderle, Produkt Manager, Qlar (vormals Schenck Process)