Zuverlässige Technik aus dem Reinraum – die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien
Der Mehrwert
Die Nutzung natürlicher Ressourcen zur Energiegewinnung wächst stetig, allerdings benötigt man dazu grundsätzlich ein Medium, um die Energie zu speichern. Um eine möglichst effiziente Speicherung zu erzielen, werden Akkusysteme laufend weiterentwickelt und erforscht. Lithium-Ionen-Akkus, kurz Li-Ion, stellen dabei ein Kernelement moderner Akkusysteme dar.
Am Beispiel der Elektroautos wird die Rolle der Lithium-Ionen-Akkus verdeutlicht: Die Qualität des Akkus entscheidet über die Reichweite und die Lebensdauer der Akkusysteme und damit über die Zufriedenheit der Autofahrer. Erst mit wachsenden Reichweiten wurden die Elektroautos populär. Zudem sind die Akkus derzeit die mit Abstand teuerste Komponente der Autos, wobei der Preis des Akkus darüber entscheidet, ob der Autohersteller mit dem E-Auto einen Gewinn erzielt oder nicht.
Schnelle Reaktionsfähigkeit
Doch was unterscheidet einen Lithium-Ionen-Akku von anderen Akkus? Was zeichnet ihn aus?
- Schnelle Reaktionsfähigkeit
- Dezentrale Installierbarkeit
- Gute Skalierbarkeit
- Breites Einsatzgebiet
- Mobil und stationär nutzbar
- Hohe Energiedichte
Die Lithium-Ionen-Zelle ist jedoch nicht nur ein wirtschaftliches und technisches Kernelement bei Elektroautos. Die Entwicklung stellt auch die Welt des Reinraums auf den Kopf.
Ausgehend von Prozess und Anlagen der Fertigung wird eine Umgebung verlangt, die die Ver- und Entsorgung der notwendigen Medien ermöglicht. Die Gebäudetechnik ist das zentrale Schlüsselelement für höchste Sicherheit und höchste Fertigungsqualität. Teilschritte der Fertigung finden deswegen in hoch-technologisierten Reinräumen statt.
Reinraumtechnik als Schlüsselelement
Die Herstellung der Akkus ist in drei Hauptbereiche untergliedert:
- Elektrodenfertigung
- Zellmontage
- Elektrische Formierung
Bei der Elektrodenfertigung ist die Fertigung von zwei Teilprozessen im Reinraum besonders wichtig. Zum einen kommen Lösungsmittel zum Einsatz, die abtransportiert, aufbereitet und rückgewonnen werden müssen. Zum anderen entstehen während der Fertigung feinste Stäube, die ebenfalls beseitigt werden müssen. Weder die Stäube noch die Lösungsmittel sollen die Umwelt belasten. Ebenso sollen Querkontaminationen vermieden werden.
Die Montage der Zelle, speziell die Elektrolytbefüllung, muss unter äußerst strengen Bedingungen stattfinden, da diese das Schlüsselelement für eine qualitativ-hochwertige Batterie ist. Die Umgebungsbedingungen erfordern eine relative Luftfeuchtigkeit < 1 % bei einer Raumluft von 22 °C, zusätzlich dürfen keine elektrostatischen Aufladungen auftreten. Durch die Fertigung in Reinräumen der ISO-Klasse 7 können die Anforderungen, die während der Elektrodenfertigung und während der Zellmontage gestellt werden, erfüllt werden. Moderne Technik ermöglicht das Einhalten geringster Toleranzen von beispielsweise 2 Kelvin.
Wo bleibt die Wirtschaftlichkeit?
Jedoch muss sich auch die Wirtschaftlichkeit in einem solchen Reinraum rechnen. Die Einhaltung der Reinraumzonen mit geringen Toleranzen ist für eine höchstmögliche Leistung und eine lange Lebensdauer der Batterie erforderlich.
Durch eine möglichst geringe Anzahl verschiedener Reinraumzonen werden gleiche Bedingungen geschaffen. Außerdem ist es zu empfehlen, Dampfsperren gegen Wasserdampf-Diffusionsbrücken zu installieren. Diese können die Betriebskosten erheblich senken. Durch diese Diffusionssperre werden Diffusionsbrücken und das Eindringen feuchter Außenluft sowie das Entweichen der aufbereiteten Luft nach außen wird weitestgehend verhindert. Diese Wasserstoff-Barrieren sind der erhebliche Unterschied zu herkömmlichen Reinräumen der Elektronenfertigung, die in der Regel luftdurchlässig betrieben werden.
Der Mensch als Gefahr
Wie in jedem Reinraum ist auch in diesen hochsensiblen Reinräumen der Mensch ein Problem. Eine Person gibt bei körperlicher Betätigung in einer Stunde ca. 50 Gramm Wasser ab. Die trockene Luft nimmt diese Feuchtigkeit sofort auf, da sie bestrebt ist, das Gleichgewicht der Luftfeuchtigkeit wiederherzustellen.
Jedoch sind vollautomatisierte Prozesse nicht immer möglich, da der Mensch größtenteils nicht zu ersetzen ist. Das Ziel ist deswegen, die Anzahl der Personen im Reinraum sowie die Dauer des Aufenthalts im Reinraum anzupassen. Zusätzlich kann ein passendes Bekleidungskonzept helfen. Auch Materialschleusen können dabei unterstützen, die gewünschten Umgebungsbedingungen aufrechtzuerhalten.
Grenzen der Physik
Trotz aller Bemühungen sollte das Motto lauten: „So rein wir nötig, nicht so rein wie möglich!“ Neben den genannten Anforderungen darf auch der Brand- und Explosionsschutz nicht vernachlässigt werden. Häufig werden aus diesem Grund Inertgase eingesetzt, was jedoch den Zutritt des Menschen ohne spezielle Schutzausrüstung ausschließt.
pure11 steht Ihnen bei jeder Art von Reinräumen zu Seite und unterstützt Sie gerne. Ihre Rückfragen beantworten wir gerne, telefonisch via +49 89 6499 3940 oder über unser Kontaktformular.
Einzelnachweise
- Wirtschaftswoche, Ausgabe 23/2020
- Buch: Handbuch Lithium-Ionen-Batterien, Herausgeber: Reiner Korthauer, Springer Vieweg
- Weitere Quelle