Die Herstellung moderner Lithium-Ionen-Batteriezellen stellt höchste Anforderungen an die Prozessumgebung. Insbesondere die Luftfeuchtigkeit muss in kritischen Produktionsschritten auf ein Minimum reduziert werden, da selbst geringste Feuchteeinträge die elektrochemische Stabilität der Zellen gefährden können. Taupunkte unter -60 °C gelten mittlerweile als Standard in der Trockenzonenfertigung. Die präzise und zuverlässige Messung dieser extremen Bedingungen ist technisch anspruchsvoll, jedoch entscheidend für die Qualitätssicherung.
Mini-Environments als energieeffiziente Alternative
Statt komplette Reinräume aufwendig zu trocknen, setzen immer mehr Hersteller auf sogenannte Mini-Environments: kompakte, geschlossene und lokal begrenzte Rein- und Trockenluftbereiche, in denen die partikelarme und trockene Luft direkt an den Point-of-Use geführt wird. Die Luftversorgung erfolgt typischerweise aktiv von oben, während das Bedienpersonal außerhalb der kritischen Zone bleibt. So wird der Eintrag von Feuchte und Partikeln minimiert, ohne die Bedienbarkeit einzuschränken.
Der Reinraumspezialist Weiss Klimatechnik realisiert produktionsnahe und lokal begrenzte Prozesszonen, die eine konstant trockene und stabile Atmosphäre gewährleisten. Zudem profitieren Anwender von einer höheren Wirtschaftlichkeit aufgrund eines signifikant reduzierten Energiebedarfs im Vergleich zu herkömmlichen Methoden.
Sensorik unter Extrembedingungen
Taupunktsensoren sind das zentrale Element zur Feuchteüberwachung in Mini-Environments. Ihre Aufgabe: die präzise und kontinuierliche Messung der Luftfeuchtigkeit bei minimalen ppm-Werten. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass viele Sensoren unter diesen Bedingungen an ihre Grenzen stoßen – sei es durch Drift, langsame Reaktionszeiten oder Ausfälle außerhalb des spezifizierten Messbereichs.
Um die Leistungsfähigkeit verschiedener Sensortypen unter realen Trockenraumbedingungen zu bewerten, hat Weiss Klimatechnik einen sechsmonatigen Langzeittest mit neun Sensoren unterschiedlicher Hersteller durchgeführt. Ziel war es, die Eignung der Sensoren für den Einsatz in extrem trockenen Mini-Environments festzustellen. Der Test hat gezeigt: Die Wahl des Sensors hat direkten Einfluss auf die Prozesssicherheit.
Reaktionsverhalten und Totzeiten
Die Reaktionsgeschwindigkeit von Taupunktsensoren ist ein entscheidender Faktor für die Prozesssicherheit. Besonders bei plötzlichem Feuchteeintrag – etwa durch Leckagen, Bedienfehler oder Materialwechsel – muss der Sensor in der Lage sein, innerhalb kürzester Zeit zu reagieren und verlässliche Werte zu liefern. Der Langzeittest von Weiss Klimatechnik zeigt, dass die Unterschiede zwischen den getesteten Sensoren erheblich sind: Die Spannweite der T90-Zeiten (Zeit bis zur 90 %-Wertänderung) reicht von unter einer Sekunde bis zu über sechs Minuten.
Interessant ist, dass sich kein konsistenter Zusammenhang zwischen dem Messprinzip und der Reaktionsgeschwindigkeit feststellen ließ. Getestet wurden insgesamt neun Sensoren mit unterschiedlichen Technologien: Polymer-, Aluminiumoxid-, Phosphorpentoxid- sowie elektrolytisch-resistive Sensoren. Während einige polymerbasierte Sensoren sehr schnell reagierten, zeigten andere innerhalb derselben Technologiegruppe deutliche Verzögerungen. Auch Sensoren mit Aluminiumoxid oder Phosphorpentoxid lieferten keine einheitlichen Ergebnisse hinsichtlich der Reaktionszeit.
Der Test legt nahe, dass die eingesetzten Algorithmen - etwa zur Autokalibrierung oder Signalverarbeitung - einen größeren Einfluss auf das Verhalten haben als das physikalische Messprinzip selbst.
Konsequenzen für die Praxis
In der Praxis reicht es nicht aus, sich auf die technischen Spezifikationen eines Sensors zu verlassen. Vielmehr müssen die tatsächliche Langzeitstabilität, das Verhalten bei extrem trockener Luft sowie die Reaktionsfähigkeit auf Feuchteereignisse unter realen Bedingungen berücksichtigt werden.
Die Sensorik muss als integraler Bestandteil des Gesamtsystems betrachtet werden. Die Entscheidung für einen bestimmten Sensortyp sollte auf validierten Leistungsdaten basieren und die Kombination aus Hardware, Software und Kalibrierstrategie berücksichtigen. Sensoren mit schneller Reaktionszeit und geringer Drift ermöglichen die frühzeitige Erkennung von Feuchteeinträgen und sichern so die Stabilität der Prozesse im Trockenraum.
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