Elektrifizierend: Batterien
Energie für die mobile Zukunft
E-Mobilität etabliert sich in Europa immer mehr; schon lange sind Elektroautos keine Seltenheit mehr auf unseren Straßen. Hochwertige Batterien versorgen die Elektromotoren mit Energie – und sind ein wesentlicher Faktor für den Erfolg der klimaschonenderen Fahrzeuge. Die Produktion der hochmodernen Batterien stellt besondere Herausforderungen und erfordert absolute Präzision. Kubota Brabender Technologie weiß, worauf es bei der Dosierung der notwendigen Rohstoffe ankommt.
E-Mobilität: Der Trend der Zukunft
Mehr Klimaschutz, weniger Abhängigkeit von fossilen Energien, sauberere Luft: der Umstieg auf elektrisch angetriebene Fahrzeuge bietet viele Vorteile. E-Mobilität ist ein großer Schritt auf dem Weg in eine nachhaltige Zukunft. Sie reduziert die Lärmbelastung, spart Energie, und erzeugt deutlich weniger Schadstoffe, vor allem, wenn sie in Verbindung mit Strom aus erneuerbaren Quellen – etwa Wind- oder Sonnenkraft – verwendet wird. So verspricht sie mehr Lebensqualität für Menschen auf der gesamten Welt.
Die Entwicklung der E-Mobilität
Die Geburt des Elektromotors liegt über 100 Jahre zurück – und dank innovativer Batterietechnologien steht seine wahre Sternstunde bevor.
Erfolgsfaktor Batterien
Als Herz von Elektromotoren sind Batterien die Schlüsselkomponente der Elektrifizierung. Um noch massentauglicher zu werden und eine wirkliche Mobilitätswende möglich zu machen, sind Elektroautos, E-Bikes und Co. auf die wachsende Reichweite und Zuverlässigkeit der Batterie-Zellen angewiesen, die ihre Antriebe mit Strom versorgen. In anderen Worten: Dass E-Mobilität weltweit rasant Fahrt aufnimmt, wird erst durch die technische Weiterentwicklung von Batterien möglich.
Rasanter Fortschritt
Die Entwicklung von Lithium-Ionen-Zellen macht große Schritte. Jede neue Batterie-Generation bietet erneut höhere Leistungsdichte, mehr Sicherheit und kürzere Ladezeiten. Daneben entstehen alternative Batterietechnologien, etwa die voraussichtlich in einigen Jahren marktreifen Feststoffbatterien mit festem Elektrolyt.
Der Markt für Batterien steht im Übergang von der Nische zur Massenproduktion; auch europäische Hersteller investieren heute in die produktionsnahe Forschung und Entwicklung und den Aufbau einer eigenen Zellproduktion, um schnell in die Serienfertigung einzusteigen. So können sie die Weiterentwicklung der Batteriezellen selbst vorantreiben, neue Standards entwickeln und den entscheidenden Schritt der Produktion optimal steuern und kontrollieren.
Wie funktioniert eine Lithium-Ionen-Zelle?
Lithium-Ionen-Zellen, wie sie in E-Motoren Verwendung finden, bestehen aus mehreren Einheiten, die in einem Gehäuse gebündelt sind. Diese Einheiten sind Lithiumbatterien, auch Lithium-Ionen-Batterien oder Lithium-Ionen-Akkus genannt – Akkumulatoren auf der Basis von Lithium-Verbindungen. Sie sind ein elektrochemischer Energiespeicher und wandeln bei ihrer Entladung chemische Energie zu elektrischer Energie.
Die kleinste Einheit der Lithium-Ionen-Zelle besitzt je eine positive und eine negative Elektrode, die Kathode und die Anode, die durch einen Separator getrennt sind. Zwischen diesen Elementen befindet sich der ionenleitfähige Elektrolyt. Die reaktiven Materialien in den Elektroden enthalten Lithium-Ionen: Moleküle, die weniger oder mehr Elektronen als Protonen besitzen und dadurch eine positive oder negative elektrische Ladung aufweisen. Lithium-Ionen können sich durch den Separator zwischen den Elektroden bewegen – Elektronen jedoch können das nicht.
Beim Ladevorgang fließen Elektronen über eine externe Leitung von der Kathode zur Anode. Gleichzeitig werden positiv geladene Lithium-Ionen von der negativ geladenen Anode angezogen, wandern durch den Separator zur Anode und nehmen hier freie Elektronen auf. So wird Energie in der Batterie gespeichert.
Beim Entladen der Zelle fließen Elektronen aus der negativ geladenen Anode über eine externe Leitung zur Kathode, der positiven Elektrode; dabei wird elektrische Energie freigesetzt. Gleichzeitig wandern Lithium-Ionen durch den Separator zur Kathode.
Lithiumbatterie-Typen
Bis 2030 wird sich die weltweite Nachfrage nach Lithiumbatterien voraussichtlich mehr als verzehnfachen. Elektromobilität hat daran einen maßgeblichen Anteil. Heute in Europa besonders bedeutend sind diese Arten von Lithium-Ionen-Akkus:
- Nickel-Mangan-Cobalt-Akkumulator (NMC-Batterie) – in europäischen Produktionsstätten derzeit der am meisten verwendete Akku; Einsatz in E-Bikes und Elektroautos sowie Mobiltelefonen und Notebooks
- Nickel-Cobalt-Aluminium-Akkumulator (NCA-Batterie) – zeichnet sich durch hohe Energiedichte und lange Lebensdauer aus; Verwendung in einigen E-Auto-Marken sowie elektronischen Geräten
- Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (LFP-Batterie) – bietet hohe Lade- und Entladeströme, sehr gute Temperaturstabilität und lange Lebensdauer; Anwendung in Elektrowerkzeugen, dem RC-Modellbau, als Starterakku bei Verbrennungsmotoren sowie in dem 100-Dollar-Laptop für Entwicklungs- und Schwellenländer
- Lithium-Nickel-Mangan-Akkumulator (LNMO-Batterie) – neue Technologie für die nächste Generation von Lithium-Ionen-Batterien; Cobalt-frei, sehr hohe Energie- und Leistungsdichte
Herausforderung Batterieproduktion
Der Herstellungsprozess einer Batterie besteht im Wesentlichen aus drei Schritten: der Elektrodenfertigung, der Zellmontage und der Formation, bei der die Batterie erstmals geladen und entladen wird. Zur Herstellung der Elektroden werden Aktivmaterialien sowie Lösungsmittel, Binder und Additive zu einer homogenen Beschichtungspaste verarbeitet – dem so genannten Slurry. Das Slurry wird anschließend auf Elektrodenfolien aufgebracht, getrocknet und komprimiert.
Die komplexe Produktion erfordert absolute Präzision bei der Dosierung von Rohstoffen, vor allem Aktivmaterialien wie Grafit und Lithium-Cobalt-Oxid. Die Arbeit mit toxischen und explosionsfähigen Stoffen stellt besondere Anforderungen. Jeder Schritt muss auch in Bezug auf die Geschwindigkeit äußerst exakt erfolgen, und viele der verwendeten Materialien weisen herausfordernde Eigenschaften und schwieriges Fließverhalten auf. Als erfahrener Produktionspartner der Branche verfügt Kubota Brabender Technologie über die Expertise, diese Herausforderungen zu meistern.
Sicherheit durch umfassende Konzepte und bewährte Technologie
Um toxische und explosionsfähige Materialien sicher zu verarbeiten, ist ein umfassendes Sicherheitskonzept erforderlich. Kubota Brabender Technologie hält Geräte bereit, die alle besonderen Maßnahmen umsetzen, die im Rahmen eines solchen Konzeptes beispielsweise bei der Dosierung von Grafit, Binder, Lithium-Metalloxiden, Additiven und Cobaltsulfat-Gemischen für die Kathode sowie Grafit, Binder und Lithiumtitanat für die Anode erforderlich sind.
Drei Aspekte sind für die sichere Batterieproduktion von besonderer Bedeutung:
- Schutz der Anwender vor dem Kontakt mit toxischen Stoffen durch Containment-Konzept und geschlossene Systeme,
- Schutz der Umwelt durch geeignete Filter- und Entsorgungssysteme, und
- Schutz vor Explosionen durch Explosionsschutz-Konzept, Zonentrennung und Einsatz geeigneter Geräte, etwa der ATEX-konformen Produkte von Kubota Brabender Technologie.
Anwenderschutz durch Containment-Lösungen
Welchen Sicherheitsgrad Containment-Lösungen zum Schutz der Anwender bieten müssen, richtet sich nach dem Gefährdungspotenzial des verarbeiteten Materials. Um dieses Potenzial akkurat einzuschätzen, werden Materialien in Gruppen eingeteilt, die Richtlinien für ihre sichere Handhabung festlegen.
Der Wert OEL (Occupational Exposure Limit) definiert die Konzentration eines Stoffes in der Luft, der Anwender während eines bestimmten Zeitraums ohne schädliche Wirkung ausgesetzt werden können. Der Wert OEB (Occupational Exposure Band) dagegen klassifiziert Stoffe gemäß ihrer potenziellen gesundheitlichen Auswirkungen. Die Bandbreite reicht von Stoffen der OEB-Klasse 1, die kein toxisches Potenzial haben und ungefährlich sind, bis zu Materialien der OEB-Klasse 6 mit extrem hohem toxischen Potential.
Zertifizierte Qualität für alle OEB-Klassen
Kubota Brabender Technologie bietet Dosierer, die für die Verarbeitung von Stoffen aller OEB-Klassen zertifiziert sind. Die OEB-Varianten der Dosierer zeichnen sich durch verschiedene Modifikationen aus:
- Alle Übergabestellen im Produktraum sind als massive Flansche mit gefrästen Flächen ausgeführt und ermöglichen die sichere Abdichtung.
- Die Übergabestellen zwischen den Flanschen sind mit FDA-geeigneten O-Ringen, die Rührwerksdichtung zusätzlich mit einem O-Ring und die Doppelwellendichtung mit einer Flachdichtung abgedichtet.
- Die Dichtigkeitskontrollöffnung im Getriebe ist mit abgedichteten Schaugläsern verschlossen. Im Fall einer versagenden Wellendichtung wird so das Austreten des Produkts verhindert.
- Um ein versehentliches Öffnen der Schnellverschlüsse von Deckel, Behälter und Schneckenrohr zu verhindern, lassen sich diese nicht werkzeugfrei lösen.
Explosionsschutz durch ATEX-konforme Produktion
Bei der Batterieproduktion werden leicht entzündliche und explosionsfähige Materialien verarbeitet. Der Produzent teilt explosionsgefährdete Bereiche nach Dauer und Häufigkeit des Auftretens explosionsfähiger Atmosphären in Zonen ein. In jeder Zone kommen Geräte einer Kategorie zum Einsatz, die die jeweils erforderliche Zündschutzart bietet. Die Einteilung der Zonen und Geräte-Kategorien erfolgt gemäß den ATEX-Richtlinien. Der Begriff ATEX stammt von der französischen Bezeichnung Atmosphères Explosives.
Kubota Brabender Technologie erstellt ATEX-konforme Dosiergeräte für die Batterieproduktion, die für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen konzipiert sind.
- Alle eingesetzten Geräte sind so konstruiert, dass sie keine wirksame Zündquelle haben.
- Ihre maximale Oberflächentemperatur liegt unterhalb der Zündtemperatur der jeweiligen explosionsfähigen Stoffe.
