Leybold ondersteunt fabrikanten bij de ontwikkeling van accutechnologieën 16 juni 2021
Vacuümtechnologie is relevant voor de kwaliteit en veiligheid van verschillende fasen in de productie van lithium-ionbatterijen. De vacuümspecialisten van Leybold ondersteunen fabrikanten van lithium-ion-accu's al vele jaren bij hun processen en technologische uitdagingen en zijn als dusdanig sterk betrokken bij de ontwikkeling van elektrische mobiliteit.
Ontwikkelingen mee vormgeven
Elektromobiliteit is de nieuwste trend in een zeer dynamische marktomgeving. " Vanuit het perspectief van vacuümtechnologie volgen we deze evolutie al vele jaren nauwgezet", zegt dr. Sina Forster, Business Development Manager bij Leybold GmbH. "Hetis ongelooflijk spannend om de huidige ontwikkelingen en onderzoek mee vorm te geven", voegt ze eraan toe.
Volgens haar is een van de belangrijkste taken het zo vroeg mogelijk bepalen van nieuwe vacuümtoepassingen en -markten uit nieuwe technologieën en ontwikkelingen. De strategische rol van vacuümtechnologie is daarom om deze ontwikkelingen mogelijk te maken en vooruit te helpen. Het ontwerp van de vacuümomgeving is bijvoorbeeld een factor die een positieve invloed kan hebben op processen. Vacuüm wordt vaak gebruikt tijdens de elektrolytvulfase om ervoor te zorgen dat de cel gelijkmatig verzadigd is met de elektrolyt en om het vulproces zuiver te maken.
Lithium-ion-accu's als vacuümtoepassing
Leybold heeft de ontwikkelingen op dit gebied bestudeerd en mogelijkheden geïdentificeerd voor vacuümtoepassingen in het productieproces van lithium-ionbatterijen. Omdat er aanvankelijk weinig informatie over het productieproces van lithium-ion-componenten beschikbaar was, bundelde het bedrijf zijn krachten met het Verband Deutscher Maschinen und Anlagenbau (VDMA) en de voorzitter van de productietechniek van e-mobiliteitscomponenten aan de RWTH Aachen om een productieproces op te zetten. Naast lithium-ion-accu's heeft Leybold zich ook gericht op de ontwikkeling van brandstofcellen. Toepasselijke vacuümprocessen zijn al in ontwikkeling, waaronder het coaten van de bipolaire platen onder vacuüm. Hierbij is het belangrijk om de technologische ontwikkelingen van de komende jaren in de gaten te houden en, indien nodig, door samenwerking te ondersteunen.
Vacuümtechnologie wordt gebruikt in verschillende processtappen bij de productie van elektroden en in onderzoek en ontwikkeling. Daarom werkt Leybold nauw samen met machine- en installatiefabrikanten die batterijfabrikanten van productiefaciliteiten voorzien. Daarnaast werkt Leybold samen met batterijfabrikanten en met instellingen die onderzoek doen naar de verdere ontwikkeling van batterijtechnologieën.
Toenemende ontwikkeling in Europa
Het grootste deel van de productie vindt nog steeds plaats in Azië. Een groot deel van het onderzoek en de ontwikkeling verschuift echter naar Europa, waardoor de EU (en vooral Duitsland) belangrijker wordt als locatie voor onderzoek en productie.
Vacuümtechnologie wordt gebruikt bij de productie van accucellen en bij processen zoals het aanbrengen van actieve materialen op elektroden. "Over het algemeen is lucht een storende factor in veel productieomgevingen, omdat de miljoenen deeltjes en gasmoleculen een negatieve invloed hebben op deze productiestap, waardoor het soms zelfs onmogelijk is. Bij het mengen van de slurry moeten deeltjes en luchtbellen worden vermeden om een hoogwaardig product te verkrijgen. Daarom werken de meeste mixers onder vacuüm", legt dr. Sina Forster uit.
Vacuüm verbetert processen
Vacuüm is ook essentieel tijdens de droogfase om zelfs de kleinste resterende hoeveelheden oplosmiddelen en vocht te verwijderen. Zonder vacuüm zou het droogproces bij veel hogere temperaturen moeten worden uitgevoerd en veel langer duren. Dit heeft een negatief effect op de kwaliteit van de elektrode. Zodra elektrolyten in de volgende processtappen worden opgenomen, neemt vacuüm een veiligheidsaspect op zich, omdat veel van de gebruikte elektrolyten zeer reactief en ontvlambaar zijn. Vacuüm van hoge kwaliteit is hier essentieel. Enerzijds zorgt het voor zuiverheid in het proces, zodat er tijdens het vullen en ontgassen van elektrolyt geen deeltjes of vocht in de cel kunnen komen. Aan de andere kant zorgt het voor een laagreactieve omgeving zonder zuurstof of vocht waarmee de elektrolyt kan reageren.
"De grootste uitdaging ligt altijd in het verpompte gasmengsel. In principe wordt alles wat wordt verpompt en verwerkt ook door de vacuümpomp getransporteerd. Bij de productie van accu's heeft dit invloed op de oplosmiddelen en elektrolyten, die doorgaans giftig zijn en de pompen en mogelijk de pompolie kunnen beschadigen", zegt dr. Sina Forster. "Maar zeer warme omgevingstemperaturen en een hoge luchtvochtigheid zijn over het algemeen ook omstandigheden die ons voor uitdagingen stellen", voegt ze eraan toe. Dit is waar batterijfabrikanten worden opgeroepen om te helpen, hetzij door te zorgen voor de juiste koeling van de pomp, hetzij door condensors te gebruiken.
Hoogwaardige droogresultaten onder vacuüm
Op veel gebieden zijn er mogelijkheden voor verbetering, aangezien er nog steeds geen vastgestelde processen zijn die efficiënt zijn gebleken. Vacuümdrogen is bijvoorbeeld een klantspecifiek proces van druk, temperatuur en procesgassen (zoals stikstof). Om met behulp van vacuümdrogen kwalitatief hoogwaardige droogresultaten te bereiken, worden onder leiding van de VDMA al branchespecifieke onderzoeksprojecten uitgevoerd.
Lekdetectie speelt ook vanuit veiligheidsoogpunt een centrale rol in de productie. De cel moet 100% lekvrij zijn om een lange levensduur van de batterij te garanderen. Een geldige lekkagetest kan alleen via een vacuümlekdetectiesysteem worden uitgevoerd. Zelfs de kleinste lekkages kunnen worden opgespoord met behulp van een heliumlekdetector of massaspectrometer. Onopgemerkte lekkages daarentegen verkorten de levensduur van de accu aanzienlijk en/of leiden tot het ontsnappen van sterk reactieve elektrolyten.
Sommige componenten van lithium-ion-accu's die in een vacuüm worden behandeld, zijn giftig. Om het milieu en de vacuümtechnologie te beschermen tegen verontreinigende stoffen, moet de vacuümpomp bestand zijn tegen deze gassen. Bovendien moeten de giftige materialen binnen het proces worden ingesloten en op een overeenkomstig veilige manier worden afgevoerd.
Drooglopende pompen besparen tijd en geld
Voor deze giftige gassen worden drooglopende vacuümpompen gebruikt. Oliegesmeerde vacuümpompen zijn doorgaans niet geschikt voor deze toepassingen, omdat de pompolie beschadigd of verontreinigd kan raken door de gassen. Door drooglopende pompen te gebruiken, besparen batterijfabrikanten tijd en geld omdat ze anders de pompolie vaak moeten verversen. "Vacuümpompen met olieafdichting worden steeds vaker gebruikt bij het vullen en ontgassen van elektrolyten, die we nu voor veel van onze klanten vervangen door drooglopende vacuümpompen", vat dr. Sina Forster samen.
Om bij de omgang met giftige gassen voldoende procesbetrouwbaarheid te garanderen, worden hermetisch afgesloten pompen gebruikt, die voorkomen dat zelfs de kleinste hoeveelheden gas ontsnappen. Dit is een belangrijke factor, vooral bij giftige elektrolyten, waar ook de arbeidsveiligheid belangrijk is.
Sneller en betrouwbaarder met vacuümtechnologie
Vacuümtechnologie speelt dus een belangrijke rol bij het drogen, vullen met elektrolyt en ontgassen. " Vacuüm is essentieel in alle drie de processtappen ", benadrukt dr. Sina Forster. Maar ook stroomopwaartse processtappen, zoals mengen met vacuümmengers, stapelen met vacuümgrijpers en stroomafwaartse processtappen, zoals verpakken, worden met vacuümtechnologie sneller en betrouwbaarder afgehandeld.
In de toekomst kunnen de invloed van een zuivere vacuümomgeving en specificaties nog beter worden bepaald. Met de ontwikkeling van individueel gemarkeerde elektrodeplaten die met behulp van gelaserde QR-codes door het gehele productieproces kunnen worden getraceerd, kan de invloed van individuele procesparameters op de accukwaliteit nauwkeurig worden getraceerd. Vacuüm zorgt voor de omgang met giftige elektrolyten Vacuümtechnologie speelt ook een belangrijke rol op het gebied van veiligheid tijdens de productie en het gebruik van accu's. Zo zal de veilige omgang met giftige elektrolyten in de toekomst alleen nog mogelijk zijn onder vacuümomstandigheden. Bij het rijden met elektrische auto's vertrouwen we op de kwaliteit van de accu, die het beste onder vacuüm kan worden getest en gegarandeerd. Er moet echter worden opgemerkt dat processen onder vacuüm altijd meer energie vereisen dan processen onder atmosferische druk. De afgelopen jaren is hier echter enorme vooruitgang geboekt in de richting van energiezuinige pompen en vandaag gebruiken we zeer economische vacuümpompen in de productie van batterijen. "Dit betekent dat we ons nu kunnen toeleggen op de kernvragen: hoe kunnen we meer doorvoer, veiligheid en kwaliteit in de batterijproductie bereiken door vacuümsystemen efficiënt te ontwerpen? En ook hier zullen we de komende jaren veel belangrijke vooruitgang boeken op het gebied van vacuümtechnologie", besluit dr. Sina Forster.
Downloadbare inhoud
