Die globale Produktionskapazität für Lithium-Ionen-Batterien soll sich von 2022 bis 2027 auf fast 9.000 GWh verachtfachen, sagt eine Studie von BloombergNEF. Den Löwenanteil wird dann immer noch China (6.197 GWh) bereitstellen. Jedoch soll sich auch in Europa die Kapazität vervielfachen. Wer in diesem Wachstumsmarkt zum Zuge kommen will, muss schnell und wirtschaftlich herstellen können. Zentrale Themen sind Durchsatz, Produktivität und Kosten, zumal der Batteriepreis beim Neukauf eines Elektroautos bis zu 50 % des Komplettpreises ausmachen kann. Fertigungspräzision und -qualität müssen dabei Schritt halten, denn sie entscheiden über Ladekapazität und Leistungshomogenität der Tausenden Zellen in einer Batterie sowie über teuren Materialverlust und Ausschuss bei der energie- und ressourcenintensiven Herstellung.
Hightech-Beschichtungen helfen, diese Herausforderungen in vielen Phasen der Batteriefertigung zu bewältigen, von der Elektrodenherstellung über die Zellassemblierung bis zur Gehäusefertigung. Sie machen Werkzeuge standfester und produktiver, sorgen für wiederholgenaue, saubere Schnitte, für abrasive und adhäsive Verschleißfestigkeit beim Stanzen und Umformen von Aluminium, für längere Einsatzzeiten und weniger Wartung beim Formpressen von Kunststoff. „Wir kennen die Anforderungen an die Werkzeuge in der kompletten Prozesskette der verschiedenen Batterietypen mit Pouch-, prismatischen und zylindrischen Zellen. Die Oberflächen-Lösungen unseres Konzernsegments Oerlikon Surface Solutions sind dort bereits vielfach im Einsatz“, informiert Alexander Sulz, Strategic Account Manager Forming Tools bei Oerlikon Balzers Deutschland.
Elektrodenfertigung: Von Schlitzdüsen bis Walzen
Schon beim Mischen des „Slurry“, dem pastösen Mix aus energiespeicherndem Aktivmaterial samt Additiven für die Elektroden, kann eine Beschichtung mit einem speziellen Pulver durch thermisches Spritzen die Mischbehälter und Mischflügel vor den hohen Prozesstemperaturen sowie Erosion schützen und die Lebensdauer verlängern.
Nach dem Mischen ist der Slurry über Schlitzdüsen äußerst gleichmäßig und in seiner Dicke mikrometergenau auf die Elektroden-Trägerfolien aufzubringen. Die Pasten sind jedoch (unterschiedlich) abrasiv, weswegen die bis zu 1.500 mm langen Düsenhälften verschleißen. Sie sind dann akkurat nachzuschleifen, damit sie ihre Arbeit weiterhin präzise verrichten können. Als zusätzlicher Verschleißschutz gibt es von Oerlikon Balinit Alcrona Pro. Die AlCrN-basierte Schicht von Oerlikon Balzers verhindert Kratzer auf der Düsenoberfläche und sichert die nötige Oberflächengüte samt anspruchsvollen Toleranzen. Bei einem Batteriehersteller verdreifachte sie bereits die Einsatzdauer von rund 2.000 auf 6.000 km Elektrodenfolie.
Auch beim nachfolgenden Kalandrieren schützen Beschichtungen durch thermisches Spritzen die rotierenden Walzen, die den Slurry-Auftrag auf den Elektrodenfolien verdichten, vor Verschleiß. Beim nächsten Prozessschritt läuft das breite beschichtete Elektrodenband in die Slitting-Anlage und wird dort meist mit rotierenden Schlitzmessern in mehrere schmalere Bahnen geteilt. Keine einfache Aufgabe, denn es gilt sehr präzise, sauber und gratfrei zu schneiden. Dabei sind die Folien aus Kupfer- oder Alulegierungen sehr dünn und neigen zu Anhaftungen. Mikrometerdünne Kohlenstoffschichten minimieren Adhäsion, begünstigen scharfe Schneidkanten und ermöglichen so die nötige hohe, dauerhafte Schnittqualität.
Zellassemblierung: Schneiden, Stanzen, Schweißen
In der Zellassemblierung unterscheiden sich die Fertigungsprozesse teilweise, je nach herzustellendem Zelltyp. Für alle Schnittoperationen können sich jedoch Werkzeugbeschichtungen lohnen, da es immer um ultradünne Folie und die Herausforderung ihrer sauberen Beschneidung geht. Dies gilt zum Beispiel für das Heraustrennen einzelner Elektroden-Blätter aus einer vakuumgetrockneten Folienbahn, teils mit vorgeschaltetem Notching-Prozess. Dabei wird die Elektrodenkontur erst vorgeschnitten (Notching) oder das Blatt direkt ausgestanzt. Für die daran beteiligten Notching-Werkzeuge wie auch für die Stempel und Matrizen der Stanz- oder Schneideinheiten empfehlen sich spezielle Kohlenstoffbeschichtungen. Dies zeigt sich im Einsatz auf Hartmetallmessern bei einem Batteriehersteller: Dort steigerte die Schicht die Anzahl geschnittener Elektrodenfolien um 130 % von 350.000 auf 800.000 Teile gegenüber dem bisherigen Werkzeug mit einer anderen Kohlenstoffbeschichtung.
Sie schützen Werkzeuge auch bei weiteren Prozessschritten, so etwa spezielle Dorne für das positionsgetreue Stapeln von Elektroden-Einzelblättern, das Falten von Separator-Folien (Z-Folding) oder das Wickeln von Elektroden-Folien für Rundzellen. Dabei verhindert die Schicht das Verkleben und reduziert die Wartung. Werkzeuge für das Ultraschall-Schweißen von Batterielaschen, Zellkontakten und Busbar-Anbindungen oder für das Ultraschall-Drahtbonden profitieren von nur 1 μm dünnen Schichten. Diese verhindern das Anhaften von Aluminium, verbessern die Schweißqualität und verlängern die Lebensdauer dieser Sonotroden.
Gehäusefertigung: Umformen und Formpressen
Batteriezellen brauchen Gehäuse, ebenso die Module und Packs, in denen die Zellen zu Hunderten oder Tausenden zusammengeschaltet werden. Solche Gehäuse werden vielfach aus leichten, wärmeleitenden Aluminiumwerkstoffen hergestellt. PVD-Beschichtungen schützen die Werkzeuge für deren Bearbeitung insbesondere vor adhäsivem Verschleiß, so etwa beim Umformen, Beschneiden, Abkanten, Stanzen oder Prägen von Aluminiumblechen oder beim Tiefziehen von Zellengehäusen.
Für besonders nachhaltige und leichte Batteriegehäuse kommen zunehmend auch Kunststoffe zum Einsatz. Beim Formpressen dieser Teile helfen PVD-Beschichtungen oder Diffusionsverfahren die Wartung von Formen zu reduzieren und damit Kosten zu sparen. Sie verlängern die Einsatzzeiten, konservieren polierte Oberflächen, schützen vor schädlichen Gasen und erleichtern das Entformen.
„In der Li-Ion-Batteriefertigung steckt noch viel Potenzial für mehr Produktivität und weniger Kosten. Auch die Transformation der Automobilindustrie in Richtung Elektromobilität steht erst am Anfang. Als ein langjähriger Industriepartner sind wir am Puls dieses spannenden Geschehens und bieten Oberflächenlösungen nicht nur für Werkzeuge in der Batteriefertigung, sondern unter anderem auch für Komponenten von Elektromotoren und -antrieben, sowie thermische Isolierlösungen für Batteriesysteme (Thermal Insulation Systems/TIS) wie auch elektrisch leitfähige und elektrisch isolierende Schichten“, resümiert Alexander Sulz. (hw)
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