Vakuumfiltrationslösungen für die Herstellung von Lithium-Ionen-Elektrofahrzeugbatterien

Contents:

    Einführung

     

    Der globale Markt für die Herstellung wiederaufladbarer (sekundärer) Lithium-Ionen-Batterien wächst weiterhin aufgrund der explosionsartig steigenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen, die durch staatliche Maßnahmen und verändertes Verbraucherverhalten angetrieben wird. Darüber hinaus ist die Energiespeicherung aus erneuerbaren Energiequellen (Solar- und Windenergie) die nächste Herausforderung für Lithium-Ionen-Batterien.

    Für die Herstellung von Batterien für Elektrofahrzeuge, die Energiespeicherung und die Unterhaltungselektronik (Telefone, Laptops usw.) werden drei gängige Lithium-Ionen-Zellendesigns verwendet: prismatische Zellenbatterien, Beutelzellenbatterien und zylindrische Zellenbatterien.

     

    Pouch-Zellen

    Die Verpackung von Folienbeutelzellen-Batterien ist leicht, kompakt und ermöglicht optimale Leistungsabgabe und Effizienz. Folienbeutel sind jedoch anfälliger für Beschädigungen als andere Lithium-Ionen-Batterietypen mit fester Verpackung. Dennoch machen die Kombination aus Größe, Leistung und Effizienz Beutelzellen zum neuesten Standard für Elektrofahrzeuge.

     

    Prismatische Zellen

    Massive Außengehäuse aus Aluminium oder Stahl sind traditionell der Standard für Unterhaltungselektronik und Elektrofahrzeuge. Prismatische Zellenbatterien sind zwar robuster als Beutelbatterien, die starre Verpackung und die größere Größe sind jedoch vergleichsweise nachteilig.

     

    Zylindrische Zellen

    Mit ihrer festen Form und dem massiven Metallgehäuse sind zylindrische Zellenbatterien die kostengünstigsten und wurden vor allem in Elektrofahrzeugen der ersten Generation eingesetzt. Die feste Form, Größe und das Gewicht zylindrischer Zellenbatterien führen im Vergleich zu Beutel- und prismatischen Zellenbatterien zu Leistungsnachteilen.

     

    Vakuum ist ein wesentlicher Bestandteil der meisten Batterieherstellungsprozesse, darunter die pneumatische Förderung von Rohstoffen, das Mischen des Elektrodenbreis, das Befüllen mit Elektrolyt, das Entgasen und die abschließende Versiegelung des kompletten EV-Batteriepacks. In jeder Phase trägt Vakuum dazu bei, die Reinheit, Präzision und Konsistenz des Materials zu gewährleisten, was zu höherer Batterieleistung, Energiedichte, Lebensdauer und Ladegeschwindigkeit führt. Gleichzeitig entstehen bei jedem Prozess Verunreinigungen (Partikel, Flüssigkeiten und Dämpfe), die in die Vakuumpumpe gelangen. Speziell entwickelte Filterlösungen fangen Verunreinigungen auf, schützen die Vakuumpumpe, senken die Wartungskosten und erhöhen die Betriebszeit in dieser rund um die Uhr arbeitenden Branche.

    In unserem Blog konzentrieren wir uns auf drei primäre Herstellungsprozesse (Elektrodenherstellung, Zellmontage und Zellveredelung), wie Vakuum in jedem dieser Prozesse eingesetzt wird und welche Filterlösungen empfohlen werden.

     

    Elektrodenherstellung

     

     

    Vor der Herstellung werden Rohstoffe abgebaut und zu feinem Pulver verarbeitet. Vakuumpumpen und Gebläse dienen der pneumatischen Förderung von Materialien wie Lithium, Graphit, Kobalt und Mangan. Sobald die Materialien verfügbar sind, erfolgt im ersten Schritt die Herstellung der Elektroden (Kathode und Anode), die für den Austausch von Lithiumionen entscheidend sind. Beim Schlammmischen werden trockene Materialien kombiniert: Aktivmaterialien (siehe unten)*, leitfähige Additive (Ruß), Bindemittel und Lösungsmittel (deionisiertes Wasser für die Anode und N-Methylpyrrolidon (NMP) für die Kathode). Vakuum dient der Entfernung von Luftblasen und der Herstellung eines homogenen Schlamms, der für die Effizienz und Leistung der Elektroden entscheidend ist.

     

    *Aktive Materialien

    Graphitanode

    • Als Werkstoff kommt vorwiegend Graphit zum Einsatz.
    • Silikon ist aufgrund seiner höheren Kapazität und Energiedichte die nächste Generation.

    Kathode

    • Lithiumkobaltoxid (LiCoO2)
    • Lithium-Mangan-Oxid (LMnO2)
    • Lithium-Nickel-Oxid (LiNiO2)

     

    Der fertige Schlicker wird zum Beschichten leitfähiger Metallstreifen aus Aluminium oder Kupfer verwendet. Die Streifen werden erhitzt, um das restliche NMP-Lösungsmittel zu entfernen und zurückzugewinnen. Anschließend werden sie im Kalandrierprozess komprimiert, geglättet und gereinigt, geschnitten und zu Rollen verarbeitet. Die Rollen werden abschließend im Vakuum getrocknet, um Lösungsmittelreste und Feuchtigkeit zu entfernen. Das Elektrodenmaterial wird anschließend in einem Trockenraum für die lokale Zellmontage gelagert oder für die Verwendung durch andere Zellhersteller vakuumverpackt.

    Sowohl ölgeschmierte als auch trockene Vakuumpumpen werden regelmäßig für Misch- und Trocknungsprozesse eingesetzt. Bei beiden Typen ist die Einlassfiltration unerlässlich, um Verunreinigungen zu vermeiden und eine verminderte Vakuumleistung sowie Ausfälle zu verhindern.

    Luftfilterlösungen für die pneumatische Förderung von Rohstoffen

     

    Einlassfilter, Filterschalldämpfer und Entlüftungsfilter:

    • Aufgrund der Reinheitsanforderungen an Rohstoffe muss die für die Druck- oder Vakuumförderung benötigte Luft gefiltert werden. Ansaugfilter und Filterschalldämpfer wie die Serien F, FS und 2G von Solberg erfassen Umgebungsverunreinigungen und reduzieren gleichzeitig das Ansauggeräusch.
    • Da diese Systeme in Reinraumumgebungen installiert werden, muss außerdem der Staub aus den Trichterentlüftungen aufgefangen werden, um die umliegenden Anlagenbereiche und Bediener zu schützen.
    • Die Mikron-Bewertung und Effizienz der internen Filterelemente müssen auf die spezifischen Systemanforderungen zugeschnitten sein: 99+% Effizienz für 5- oder 1-Mikron-Partikel, hocheffizientes H14/ULPA Klassifizierung (99,995 % Effizienz für 0,1 Mikron große Partikel).

    Einlass-Vakuumfilter:

    • Eine Vakuumpumpe oder ein Gebläse erfordert eine hocheffiziente Filterung, um die feinen Staubpartikel einzufangen, die die vorgeschalteten Staubsammler umgehen.
    • Inline-Vakuumfilter wie die Serien CSL, CSS und ST von Solberg dienen als letzte Verteidigungslinie für die Vakuumpumpe oder das Gebläse.

    Vakuumfiltrationslösungen für die Elektrodenherstellung

     

    Hochleistungs-Einlass-Vakuumfilter:

    • Beim Anlegen eines Vakuums während des Misch- und Trocknungsprozesses werden Partikel zur Vakuumpumpe transportiert. Daher sind Partikelfilter wie der von Solberg erforderlich. CSL , ST und WL Um eine Verschmutzung der Pumpe zu verhindern, sind Reihenschaltungen erforderlich.
    • Das interne Filterelement, die Mikronfeinheit und die Effizienz werden basierend auf den spezifischen Betriebsbedingungen des Lithium-Ionen-Batterieherstellungsprozesses ausgewählt. 5-Mikron-Polyester (99+ % Effizienz) bietet in den meisten Fällen gute Ergebnisse. Abhängig von den spezifischen Prozessbedingungen sind jedoch unterschiedliche Filtermedien, Mikronfeinheiten und Effizienzen verfügbar.
    • Je nach Prozessrohrleitung und Vakuumpumpenanschlüssen stehen verschiedene Baumaterialien (Kohlenstoffstahl, Edelstahl usw.) und Anschlussarten (DN-Flansche, ANSI-Flansche und ISO-K-Flansche) zur Verfügung.
    • Zur routinemäßigen Wartung gehört die Reinigung und ggf. der Austausch des/der internen Filterelements/-elemente.

     

    Dampfkondensationsfilter und Wärmetauscher für Vakuumpumpenanwendungen:

    • Die Kondensation von Dämpfen unter Vakuumbedingungen stellt aufgrund des Dampfdrucks von NMP und Wasser eine Herausforderung dar. Dies ist insbesondere bei ölgeschmierten Pumpen zur Elektrodenherstellung von Bedeutung, da das Öl bei der Kondensation von Dämpfen im Öl emulgieren kann.
    • Ein mehrstufiger Kondensationsfilter und Wärmetauscher, wie der Solberg JRS-Serie oder Die JCT-Serie arbeitet mit einer werkseitig bereitgestellten Kühlflüssigkeit (Glykol, Wasser) zusammen, um eine kalte Oberfläche zur Kondensation von Dämpfen zu erzeugen. Die erforderliche Flüssigkeitstemperatur hängt von den spezifischen Prozessbedingungen ab.
    • Die interne Kühlfläche des JRS oder JCT besteht aus einem patentierten Edelstahl-Faltenpaket, das die Oberfläche maximiert und die Leistung herkömmlicher Kühlschlangen übertrifft. Bei entsprechender Dimensionierung wird die Verweilzeit auf der Kühlfläche maximiert, was die Kondensationsleistung verbessert.
    • Mehrere Filtrationsstufen steigern die Filtrationseffizienz. Daher sind Demister-Pads aus Edelstahl eine übliche zweite Stufe zur Abscheidung kondensierter Tröpfchen und schließlich Aktivkohle Adsorptionsfilterelemente eignen sich hervorragend zum Auffangen von Restdämpfen.
    • Um den Prozessbedingungen gerecht zu werden und in den verfügbaren Platz auf oder in der Nähe der Vakuumpumpen zu passen, müssen verschiedene Konstruktionsmaterialien (Kohlenstoffstahl, Edelstahl usw.) und Verbindungsarten (DN-Flansche, ANSI-Flansche, ISOK-Flansche) berücksichtigt werden.
    • Filtrationsexperten legen die Filtergröße, die Kühloberfläche und den Kühlflüssigkeitsbedarf je nach Prozessfluss, Betriebsvakuumniveau, Betriebstemperatur und Chemie fest.

    Durch den Schutz der Vakuumausrüstung mit einer technischen Einlassfilterlösung während des Elektrodenherstellungsprozesses erreicht der Betreiber längere Pumpenwartungsintervalle und geringere Wartungskosten.

    Zellmontage

     

     

    Das getrocknete Elektrodenmaterial wird zugeschnitten und zusammen mit Separatormaterial schichtweise gestapelt, um den Zellkern zu bilden. Der Separator bildet die notwendige Barriere zwischen Anode und Kathode und ermöglicht gleichzeitig den kontinuierlichen Austausch von Lithiumionen während der Entlade- und Ladephase. Die Schichten wechseln sich ab (Anode-Separator-Kathode-Separator usw.). Die Zellstruktur wird anschließend per Ultraschall mit den Anschlüssen verschweißt, die den Strom leiten. Bei modernen Elektrofahrzeugen setzt sich die Pouch-Zelle aufgrund ihrer flacheren Form, kompakten Größe, ihres geringeren Gewichts, ihrer Flexibilität und ihrer Robustheit zunehmend durch. Der Zellkern wird in die aluminiumbeschichtete Polymerfolie eingelegt und dreiseitig versiegelt. Eine Öffnung bleibt für die spätere Elektrolytbefüllung erhalten.

    Bei prismatischen Zellenbatterien und zylindrischen Zellen werden die Folienschichten zu Spulen gewickelt und anschließend in ein robustes Metallgehäuse verpackt. In diesem Schritt werden die Anschlüsse ultraschallgeschweißt, und anschließend wird das Gehäuse per Laser- oder Ultraschallschweißen versiegelt. Anschließend werden die Zellen für die Elektrolytbefüllung vorbereitet.

    Die Elektrolytbefüllung erfolgt durch die Dosierung/Injektion einer Mischung aus Lithiumsalz und organischer Lösung (Hexafluorophosphat LiPF6) in die Zellstruktur. Der Elektrolyt fördert den Fluss der Lithiumionen von der Anode zur Kathode beim Entladen und von der Kathode zur Anode beim Laden. Beim Befüllen prismatischer und zylindrischer Zellen wird die Dosiernadel durch ein Ventil/Fitting eingeführt. Die Befüllung erfolgt unter Vakuum aus zwei Hauptgründen:

    • Durch Vakuum wird die Zelle evakuiert, um Luft und Verunreinigungen zu entfernen.
    • Vakuum fördert den Kapillareffekt (Benetzung) und die gleichmäßige Verteilung des Elektrolytgemisches in der Zelle.
    • Nach der Befüllung wird die Verpackung vor der Endbearbeitung durch Schweißen oder Bördeln verschlossen.

    Bei einer Pouch-Zellenbatterie ermöglicht die verbleibende Öffnung den Zugang einer Dosiernadel zum Befüllen. Die Vakuumbefüllung fördert den Kapillareffekt (Benetzung) und erfolgt in mehreren Schritten durch Teilbefüllung und Evakuierung. Nach der Fertigstellung wird der Beutel vor der Endbearbeitung vakuumversiegelt.

    Vakuumfiltrationslösungen für die Zellmontage

     

    Flüssigkeitsabscheider:

    • Beim Füllen der Zelle unter Vakuum gelangt etwas Elektrolytlösung in Richtung Pumpe. Daher ist ein Flüssigkeitsabscheider ideal, um eine Verunreinigung der Pumpe zu verhindern.
    • Ein mehrstufiger Flüssigkeitsabscheider wie der Solberg LRS-Serie erzeugt einen langsamen und hocheffizienten Separator zum Auffangen des Elektrolyten.
      • Interne Trennwand zur anfänglichen Trennung
      • Untere Kammer mit niedriger Geschwindigkeit zur Flüssigkeitssammlung
    • Letztes Filterelement zum Auffangen aller verbleibenden Flüssigkeitströpfchen und Schwebeteilchen.

    Verschiedene Konstruktionsmaterialien (Kohlenstoffstahl, Edelstahl usw.) und Verbindungsarten (DN-Flansche, ANSI-Flansche, ISOK-Flansche) werden verwendet, um den Prozessbedingungen standzuhalten und in den verfügbaren Platz auf oder in der Nähe der Vakuumpumpen zu passen.

     

    Dampfkondensationsfilter und Wärmetauscher für Vakuumpumpenanwendungen:

     

    • Die Kondensation von Dampf unter Vakuumbedingungen ist aufgrund des Dampfdrucks des Elektrolyten eine Herausforderung. Dies ist insbesondere bei ölgeschmierten Pumpen wichtig, da das Öl emulgieren kann, wenn Dämpfe im Öl kondensieren.
    • Ein mehrstufiger Kondensationsfilter, wie der Solberg JRS-Serie oder Die JCT-Serie arbeitet mit einer werkseitig bereitgestellten Kühlflüssigkeit (Glykol, Wasser) zusammen, um eine kalte Oberfläche zur Kondensation von Dämpfen zu erzeugen. Die erforderliche Flüssigkeitstemperatur hängt von den spezifischen Prozessbedingungen ab.
    • Die interne Kühlfläche des JRS oder JCT besteht aus einem patentierten Edelstahl-Faltenpaket, das die Oberfläche maximiert und die Leistung herkömmlicher Kühlschlangen übertrifft. Bei entsprechender Dimensionierung wird die Verweilzeit auf der Kühlfläche maximiert, was die Kondensationsleistung verbessert.
    • Mehrere Filterstufen steigern die Filtereffizienz. Daher sind Demister-Pads aus Edelstahl eine gängige zweite Stufe zum Abtrennen kondensierter Tröpfchen und abschließende Adsorptionsfilterelemente eignen sich ideal zum Auffangen von Restdämpfen.
    • Um den Prozessbedingungen gerecht zu werden und in den verfügbaren Platz auf oder in der Nähe der Vakuumpumpen zu passen, müssen verschiedene Konstruktionsmaterialien (Kohlenstoffstahl, Edelstahl usw.) und Verbindungsarten (DN-Flansche, ANSI-Flansche, ISOK-Flansche) berücksichtigt werden.

    Für Anwendungen zum Befüllen mit Elektrolyten gibt das Engineering-Team von Solberg die Filtergröße, die Kühloberfläche und den Kühlflüssigkeitsbedarf je nach Prozessablauf, Betriebsvakuumniveau, Betriebstemperatur und Elektrolytchemie an.

     

     

    Zellveredelung

     

     

    Etwa ein Drittel der Fertigungszeit entfällt auf die Endbearbeitung, die drei Hauptprozesse umfasst: Formierung, Alterung und Prüfung. Während der Formierungsphase wird die Zelle erstmals aufgeladen und anschließend unter Berücksichtigung bestimmter Parameter entladen und wieder aufgeladen. Lithiumionen werden in die Graphitkristalle der Anode eingebettet, wodurch zwischen Elektrode und Elektrolyt eine Schutzschicht entsteht, die als Solid Electrolyte Interface (SEI) bezeichnet wird. Diese Schicht ist entscheidend, um während der Lebensdauer einer Batterie eine Selbstentladung zu verhindern. Durch das Schnellladen kommt es zu Reaktionen zwischen Elektrolyt und Elektroden. Die dabei entstehenden giftigen Gase (C2H4, CO2, CO, H2) werden aus einer Beutelzelle in einen angrenzenden Totraum/Gasbeutel gedrückt. In einer Vakuumkammer wird der Beutel durchstochen, die Gase werden abgesaugt und der Beutel anschließend vakuumversiegelt. Bei einer prismatischen Zelle wird die Zelle selbst durchstochen und die Gase per Vakuum abgesaugt. Anschließend wird die Zelle erneut versiegelt, um das Eindringen von Verunreinigungen in die Zelle zu verhindern und Sicherheitsprobleme, eine verkürzte Lebensdauer der Zelle sowie Leistungsverluste zu vermeiden.

    Nach Abschluss der Entgasung werden die Zellen über Tage und Wochen gealtert und ihre Leistung überwacht. Tritt keine Degradation auf, sind die Zellen bereit für einen letzten Dichtheitstest, bevor sie in einen Batteriepack eingebaut werden. Die typische Prüfung von Hardcase-Zellen erfolgt in einer Vakuumkammer, wobei Instrumente eingesetzt werden, um Elektrolytlecks zu erkennen. Auch Pouch-Zellen können auf Elektrolytlecks geprüft werden. Diese können sich jedoch unter Vakuum leicht ausdehnen und beschädigt werden, daher werden ein spezielles Verfahren und eine Kammer eingesetzt, um dies zu verhindern.

    Vakuumfiltrationslösungen für die Zellveredelung

    Hochleistungs-Einlass-Vakuumfilter:

    • Partikelfilter wie Solbergs CSL , Stand WL Die Serien sind speziell für die Entfernung von Verunreinigungen und die Versiegelung während der Zellveredelung konzipiert.
    • Das interne Filterelement, die Mikronfeinheit und die Effizienz werden basierend auf den spezifischen Betriebsbedingungen ausgewählt. 5-Mikron-Polyester (99+ % Effizienz) bietet in den meisten Prozessen gute Ergebnisse. Abhängig von den spezifischen Prozessbedingungen sind jedoch unterschiedliche Filtermedien, Mikronfeinheiten und Effizienzen verfügbar.
    • Zur Entgasung kann der Filter vom Typ CSL oder WL mit einem Adsorptionsfilterelement ausgestattet werden, um die während der Entstehungsphase entstehenden Dämpfe aufzufangen.
    • Je nach Prozessrohrleitung und Vakuumpumpenanschlüssen kommen verschiedene Baumaterialien (Kohlenstoffstahl, Edelstahl usw.) und Verbindungsarten (DN-Flansche, ANSI-Flansche und ISO-K-Flansche) in Betracht.
    • Zur routinemäßigen Wartung gehört die Reinigung und ggf. der Austausch des/der internen Filterelements/-elemente.

    Abschluss

     

    Die weltweit explosionsartig steigende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien wird weiterhin Investitionen in Zusatzausrüstung für die Elektrodenherstellung, Zellmontage und Zellveredelung vorantreiben. Fördern, Mischen von Suspensionen, Befüllen von Elektrolyten, Entgasen und andere Prozesse erfordern Vakuum. Angesichts der Komplexität und Präzision moderner Vakuumpumpen ist ein Schutz erforderlich, um Verunreinigungen in Partikel-, Flüssigkeits- und Dampfform aufzufangen. Angesichts des 24/7-Betriebs in dieser Branche und der Tatsache, dass die meisten Batteriewerke mit oder nahe 100 % ihrer Kapazität arbeiten, gibt es keinen Spielraum für Ausfallzeiten und Produktionsausfälle. Speziell entwickelte Vakuumfiltrationslösungen bieten Pumpenschutz und ermöglichen einen kontinuierlichen und effizienten Betrieb, was maximale Batterieproduktion und -leistung ermöglicht.

     

    Dank unserer globalen Industriepartnerschaften in der Lithium-Ionen-Batterieherstellung, unserer bestehenden Kunden und unserer Projekterfahrungen verfügen wir über ein umfassendes Verständnis der verschiedenen Vakuumprozessbedingungen. Wir bieten führenden Anlagenherstellern, Vakuumpumpen-OEMs, Serviceunternehmen und strategischen Endnutzern technische Beratung und zeigen auf, wie hocheffiziente Filtration die Betriebszeit und Produktionsleistung von Vakuumanlagen maximiert und gleichzeitig kostspielige Überholungs- und Wartungsarbeiten reduziert.