Productie van batterijcellen stelt hoge eisen aan de cleanroom

Aanval in grensgebieden van de fysica: productie van een nieuwe accu-generatie voor elektrische auto's toegestaan met slechts een maximale luchtvochtigheid van 2 procent

Al ongeveer twintig jaar zijn voertuigen met elektrische aandrijving op de markt. Dat ze zich ondanks hun energie-efficiëntie en milieuvriendelijkheid tot nu toe nog niet op grote schaal hebben doorgezet, ligt vooral aan de beperkte actieradius van de elektrische voertuigen: in de tot nu toe beschikbare batterijen kan slechts een relatief kleine hoeveelheid energie worden opgeslagen en meegevoerd. Om met elektrische auto's ook langere afstanden te kunnen afleggen, moeten de energiecellen daarom lichter en duurzamer worden. Volkswagen en Varta Microbattery hebben daarom een gezamenlijke onderzoeksmaatschappij opgericht om de prestaties van lithium-ion-accu's voor gebruik in voertuigen te onderzoeken en te verbeteren. Echter, de productie van de gevoelige batterijcellen stelt ook hoge eisen aan de productiemilieu. De systeemruimtebouwer Nerling moest daarbij tot de grenzen van het fysiek haalbare gaan en een schone ruimte ontwikkelen met een constante luchtvochtigheid van maximaal 2 procent.

?Gebruikelijk ligt de relatieve vochtigheid voor schone ruimten tussen 40 en 60 procent en daarmee binnen het comfortbereik voor mensen?, legt Olaf Nerling uit, directeur van Nerling Systemräume GmbH. In de automobielsector wordt echter al 35 procent geëist om roestvorming door de luchtvochtigheid uit te sluiten. Bij de verwerking van fijn gemalen werkzame stoffen in de farmaceutische industrie mag de relatieve luchtvochtigheid zelfs slechts 10 procent bedragen. ?De hoogste eisen komen echter uit de elektrotechniek?, meldt Nerling. ?In het geval van de productie van lithium-ion-batterijcellen bij de Volkswagen Varta Microbattery onderzoeksmaatschappij mbH & Co KG wordt met waarden van hoogstens 2 procent relatieve vochtigheid een extreme droogte geëist.

Vochtigheid bij de productie verslechtert de prestaties van de batterijen

Het doel van de samenwerking tussen Volkswagen en Varta Microbattery is om door de ontwikkeling van eigen lithium-ion-cellen de betrouwbaarheid, duurzaamheid en energiedichtheid van de batterijen voor elektrische voertuigen te verbeteren. ?Onze visie is om door het bundelen van vele, ook kleine innovaties, Duitsland ? vooral ten opzichte van de Aziatische markt ? als productielocatie internationaal concurrerend te maken?, zegt Prof. Dr. Werner Schreiber, directeur van Volkswagen Varta Microbattery onderzoeksgesellschaft mbH & Co. KG.

Bij de productie van dergelijke batterijketens worden de gebruikte grondstoffen blootgesteld aan invloeden uit de omgeving. ?De pasta's voor de elektroden worden aangebracht op metalen dragerfolies, daarna gedroogd, gekalanderd en gesneden?, legt Schreiber het basisprincipe van de productie uit. ?Deze elektrodefolies worden daarna samen met een separator gewikkeld. De elektrodewikkeling vormt vervolgens het kernstuk van de batterijcel.? Wanneer de chemicaliën tijdens de verwerking in de kalander (gladmaker) aan vocht worden blootgesteld, veranderen ze hun eigenschappen. ?De productieruimte moet daarom extreem droog zijn, omdat anders de kwaliteit en betrouwbaarheid van de batterijcel eronder lijden?, zegt Schreiber. ?Bovendien verkort een te hoge luchtvochtigheid tijdens het productieproces de levensduur van de batterij.?
Adsorptiedroogte als nieuwe methode in de klimaatbeheersing

Aangezien met conventionele klimaatbeheersing een zo lage luchtvochtigheid van hoogstens 2 procent niet te bereiken is, zette Nerling samen met een samenwerkingspartner de nog relatief nieuwe methode van adsorptiedroogte in. De ontvochtiging gebeurt hier via een rotor die bestaat uit een golfvormige glasvezelstructuur die silicagel als adsorptiemiddel bevat. ?De proceslucht wordt door de rotor geblazen om te ontvochtigen, geeft daarbij zijn vocht af aan het adsorptiemiddel en stroomt als droge lucht de schone ruimte in?, legt de directeur uit. ?Door de rotatie wordt de rotor in een afgescheiden gebied verwarmde lucht toegevoerd, die het verzamelde vocht weer uit de rotor verwijdert en in de buitenlucht afvoert.?

Een verdere uitdaging voor de permanente luchtontvochtiging was het bepalen van de exacte vochtigheidsgraad. ?Hier stoten we op grensgebieden van het fysiek haalbare?, zegt Nerling. ?Gewone sensoren kunnen zulke lage waarden als 2 procent relatieve vochtigheid en minder niet meer meten.? De vochtigheidssensoren zouden hier feitelijk individuele watermoleculen moeten kunnen detecteren. Daarom werd gekozen voor een andere meettechniek: de vochtigheid in de schone ruimte wordt nu bepaald via speciale dauwpunt-temperatuursensoren. De relatieve vochtigheid van 2 procent komt overeen met een dauwpunt van -30°C. ?Met deze alternatieve meetmethode kan een droogte tot een dauwpunt van -90°C worden vastgesteld?, aldus Nerling. ?In een volgend project zullen we voor het eerst proberen op deze wijze een relatieve vochtigheid onder één procent of een dauwpunt van -60 graden te bereiken.

Compleet systeem inclusief kraan

De schone ruimte van 15,5 x 5,6 meter werd in een hal van de Volkswagen Varta Microbattery onderzoeksmaatschappij in Ellwangen onder productiebepalingen gemonteerd en via een verbindingsdeur aangesloten op een reeds bestaande droogruimte. Verdere eisen waren een kamertemperatuur van 20°C en een netheid volgens reinheidsklasse ISO 8. ?Naast de kostenfactor speelden ook korte levertijden en het nakomen van afspraken een belangrijke rol, omdat we de tijdstippen voor de levering en plaatsing van de verdere productiemiddelen absoluut moesten naleven?, aldus Schreiber.

De beslissing om de opdracht aan de systeemruimtebouwer uit Baden-Württemberg te geven, werd vooral gebaseerd op diens uitgebreide expertise op alle gebieden. Zo was bijvoorbeeld een 10-ton-kranen nodig in de schone ruimte, waarmee de kalanderrol voor revisiedoeleinden kan worden uitgenomen. ?Nerling was de enige leverancier die ons een turnkey-oplossing kon bieden uit schone ruimte, klimaatbeheersing en kraan?, motiveert Schreiber de keuze. Omdat de gladmaker de grootste afmetingen van de werkzaamheden in de schone ruimte heeft, moest de hoogte op dat punt meer dan 5,5 meter bedragen. Om een ongebruikt dode ruimte boven de rest van het oppervlak en daarmee onnodige kosten voor de klimaatregeling te voorkomen, werd de hoogte van de ruimte grotendeels op 3,3 meter vastgesteld en alleen boven de kalander een koepel gebouwd.

Aluminium draagplaat voorkomt schade door elektrostatische ladingen

?Een ander probleem bij slechts 2 procent relatieve vochtigheid is dat via de lucht en een gewoon PVC-vloer geen elektrostatische ladingen meer kunnen worden afgevoerd?, legt Nerling uit. Maar dan bestaat het risico dat bij het activeren van de machinebesturing vonkoverslag optreedt en het apparaat beschadigd raakt. Een oplossing hiervoor is een door de systeemruimtebouwer speciaal ontwikkelde dampdiffusiedichte vloeropbouw met aluminium draagplaat. Deze vloerbedekking zorgt er ook bij extreem lage vochtigheidsgraden voor dat de ladingen worden afgevoerd. Ook van cruciaal belang voor het handhaven van de constante luchtvochtigheid is de afdichting van de gehele installatie. De buitenwanden en ramen van de schone ruimte zijn daarom nauwkeurig op elkaar afgestemd om luchtlekken naar de omringende productieruimte uit te sluiten. Als toegang zijn er een materiaal- en een personenwasruimte, die zijn uitgerust met onderling vergrendelbare deuren, zodat geen vocht kan binnendringen. De tweede deur naar de binnenruimte opent pas na de zogenaamde spoelperiode, dus wanneer de airconditioning het vocht heeft verwijderd.

In deze op de specifieke eisen afgestemde productiemilieu worden inmiddels de onderzoeken van het joint venture uitgevoerd om de batterijcelchemie en de fabricagemethodiek te optimaliseren. Het samenwerkingsproject van Volkswagen en Varta Microbattery is aanvankelijk op vier jaar gepland en wordt gedurende deze tijd gesubsidieerd door het Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie. ?Als de interesse in elektrisch rijden in onze samenleving blijft toenemen en het pilotproject succesvol verloopt, streven wij naar een grootschalige installatie voor de seriële productie van dergelijke batterijketens voor elektrische auto's?, zegt Schreiber met een blik op de toekomst.

Afbeelding: Nerling Systemräume GmbH