Um den Fortschritt von Feststoffbatterien voranzutreiben, sind stabile und verlässliche Bedingungen im Herstellungsprozess ausschlaggebend. Weiss Technik unterstützt Forschungseinrichtungen und Unternehmen mit gezielten und ganzheitlich angelegten Konzepten in den Bereichen Luftentfeuchtung, Klimatisierung und Sicherheitsmanagement. Der Reiskirchener Spezialist für Umweltsimulation liefert damit einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung, Pilotproduktion und anschlie-ßenden Serienfertigung von Feststoffbatterien.
Chemische Neuentwicklungen
Feststoffbatterien (Solid-State Batteries, SSB oder All-Solid-State Batteries, ASSB) sind eine Weiterentwicklung bisheriger Lithium-Ionen-Batterien mit festen statt flüssigen Elektrolyten. Hierfür wird aktuell die Leistungsfähigkeit verschiedener Festelektrolytklassen erforscht. Im Fokus stehen Oxid-, Sulfid-, Polymer- und Halogenid-basierte Festelektrolyte sowie davon abgeleitete Hybrid-Lösungen. Die Batteriechemie muss neu entwickelt und sämtliche Komponenten präzise aufeinander abgestimmt werden. Dabei kommen auch neue Anodenaktivmaterialien (anode active materials, AAM) wie Lithiummetall und Silizium sowie neue Kathodenaktivmaterialien (cathode active materials, CAM) zum Einsatz.
Vorteile optimal nutzen
Feststoffbatterien versprechen eine deutlich höhere Energiedichte und ermöglichen bis zu 30 Prozent mehr Reichweite bei kompakterem Design. Je nach Zellchemie können Feststoffbatterien die Ladezeiten erheblich verkürzen, die Anzahl der Ladezyklen steigern und das Brandrisiko durch Überladung oder Unfälle senken, da sie keine brennbaren Flüssigkeiten enthalten. Außerdem lassen sich Feststoffbatterien deutlich nachhaltiger herstellen. Damit besitzen sie ein großes Zukunftspotenzial – vorausgesetzt, es gelingt, die Herstellung der Komponenten und die Zellfertigung zu skalieren sowie die derzeit sieben- bis achtfach höheren Produktionskosten auf ein wettbewerbsfähiges Niveau zu senken.
Gamechanger über die E-Mobilität hinaus
Auch Sales Engineer Bahattin Celik und Projektleiter Stjepan Jurisic von Weiss Technik sehen das große Potenzial von Feststoffbatterien. „Die E-Mobilität ist aktuell nur der Innovationstreiber. Feststoffbatterien sind echte Multitalente, die viele Probleme herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus lösen können,“ erklärt Celik. Ihr Einsatz sei nahezu überall denkbar – in E-Fahrzeugen ebenso wie bei Maschinen, Drohnen und Haushaltsgeräten. Die Weiss-Technik-Experten erwarten, dass sich für verschiedene Anforderungen Feststoffbatterie-Varianten mit jeweils spezifischer Zellchemie durchsetzen werden.
Zielgerichtete Trocknung durch Adsorption
Auch bei der Arbeit mit Feststoffbatterien sind in Trockenräumen streng kontrollierte klimatische Bedingungen und entsprechende Sicherheitskonzepte erforderlich. Im Vergleich zur Produktion von Batterien mit Flüssigelektrolyten sind die Anforderungen deutlich anspruchsvoller. „Schwankungen in den Klimabedingungen während der Produktion, insbesondere bei der Feuchtigkeit, können die Qualität der Batterien beeinträchtigen, ihre Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit negativ beeinflussen. Im schlimmsten Fall wird das lebensgefährlich“, erklärt Jurisic. Für eine konstante, sichere Fertigung mit höchster Qualität ist daher eine zuverlässige und effiziente Klimatechnik entscheidend, bei der vor allem die Luftentfeuchtung im Mittelpunkt steht.
Voraussetzung für eine sichere Produktion von Feststoffbatteriezellen ist ein umfassendes Trockenraumsystem mit extrem trockener Luft. Da ansonsten die verwendeten Materialien mit Wasser reagieren und hochentzündliche Gase wie Flusssäure (HF) und Schwefelwasserstoff (H2S) freigesetzt werden können. Um diese Reaktion zu verhindern, sind extrem niedrige Taupunkte von -50 bis -60 °C notwendig. „Das ist eine Lufttrocknung, die bis an die Grenzen des physikalisch Möglichen geht“, erklärt Bahattin Celik. Weiss Technik realisiert die Trockenheit mit dem Einsatz von Adsorptionstrocknern. Zunächst nehmen mehrere silikatbesetzte Rotoren die Luftfeuchtigkeit auf. Anschließend wird ein Teil der entfeuchteten Luft wieder aufgeheizt und als Regenerationsluft durch den Rotor geleitet, wodurch die dortige Feuchtigkeit entfernt und nach außen abgeführt wird. Das Verfahren lässt sich präzise steuern, so dass die Luftfeuchte konstant niedrig gehalten werden kann.
Die Adsorptionstrocknung ist ein energieintensives Verfahren. „Dennoch“, so Jurisic, „finden wir Wege, um den CO2-Fußabdruck der Anlagen so klein wie möglich zu halten.“ Für eine geeignete Energieeffizienz nutzt Weiss Technik alle verfügbaren alternativen Energiequellen. Das können Wind-, Wasserkraft- oder Photovoltaikanlagen sein, ebenso Hochtemperatur-Wärmepumpen wie auch Restwärme oder heißer Dampf aus Produktionsunternehmen. Außerdem lässt sich mit speziellen Maßnahmen zur Aufbereitung von Außen- und Regenerationsluft der Energiebedarf weiter senken.
Sicherheitskonzepte gezielt entwickeln
Trockene Luft bildet die Grundlage für eine sichere Batteriezellenforschung und -produktion. Zusätzlich sind umfassende Sicherheitsmaßnahmen im hermetisch abgedichteten Trockenraum erforderlich, um Personen, Anlagen und Material im Fall einer Havarie zu schützen. Weiss Technik führt hierzu gemeinsam mit den Kunden Risikobewertungen durch und entwickelt individuelle Sicherheitskonzepte. Zu den möglichen Sicherheitsmaßnahmen gehören H2S-Sensoren mit akustischen und optischen Alarmen, Systeme zur Unterbrechung der H2S-Freisetzung und Verfahren zur schnellen Abführung des Gases. Darüber hinaus unterstützt Weiss Technik Mitarbeiterschulungen im Umgang mit H2S und informiert zu Havariefällen. Angesichts der Explosionsgefahr von Schwefelwasserstoff unter bestimmten Bedingungen, berät Weiss Technik auch bei der Umsetzung von Explosionsschutzmaßnahmen nach ATEX-Richtlinien.
„Die Entwicklung von Sicherheitskonzepten für Feststoffbatterien ist eine echte Herausforderung“, betont Celik. „Jeder Kunde hat individuelle Voraussetzungen, wofür jeweils neue Szenarien ausgearbeitet werden müssen.“ Weiss Technik hat bei zahlreichen Projekten für renommierte deutsche Automobilhersteller und Forschungseinrichtungen umfassende Erfahrung in der Realisierung von Trockenraumsystemen für die Batteriezellenfertigung gesammelt. Entscheidend, so Jurisic, sei immer die ganzheitliche Betrachtung des Projekts unter Berücksichtigung aller Schutz- und Effizienzaspekte: „Sicherheit hat stets oberste Priorität. Darauf basierend entwickeln wir intelligente Lösungen, wie beispielsweise die Kombination von Systemen, was zugleich auch Kosten reduziert.“
