Die Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien und anderen Hochleistungs-Akkumulatoren benötigt reine und extrem trockene Luft. Diese bereitzustellen ist ein äußerst energieintensiver Prozess. Bisherige Entfeuchtungslösungen brauchen sehr viel Strom und sind dadurch Kostentreiber. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte QueEn-Projekt entwickelt daher neue Lösungen für eine energieeffiziente und wirtschaftliche Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien. Dabei wird die Nutzung von prozessnahen Mini-Environments statt großer Trockenräume erforscht. Weiss Klimatechnik sorgt für das innovative Luftmanagement.
QueEn-Projekt macht Batteriezellenfertigung energieeffizienter
Das QueEn-Projekt bringt führende Unternehmen und Forschungseinrichtungen zusammen. Neben Weiss Klimatechnik gehören die Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB), der Anlagenbauer FFT Produktionssysteme, Fraunhofer IPA und der Batteriehersteller Varta zum Konsortium. Die Abkürzung QueEn steht dabei für „Qualitätsorientierte und energiebedarfsreduzierte Anlagentechnik für die LIB- und NextGen-Produktion in Mini-Environments“. Ziel des Projekts ist es, die Batteriezellenfertigung durch innovative Klimatisierungskonzepte wirtschaftlicher und umweltfreundlicher zu machen, um so die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen und europäischen Batteriezellenfertigung im Vergleich zu anderen internationalen Fertigungsstandorten zu stärken.
Tiefer Taupunkt ist Herausforderung für Klimatechnik
Die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien erfordert extrem trockene Umgebungsluft. „Materialien, die in Hochleistungsbatterien verbaut werden, sind besonders empfindlich gegenüber Feuchtigkeit. Bereits geringe Mengen an Wasser können hochreaktive und giftige Substanzen wie Flusssäure bilden“, erklärt Martha Willmot, Weiss Klimatechnik Projektleiterin bei QueEn, die Herausforderungen an die Trocken- und Reinraumtechnik. Bisher werden Li-Ionen-Batterien in großen Trockenräumen mit entsprechend großen Luftmengen produziert. Um darin die geforderte Trockenheit mit einem Taupunkt von -40 °C zu erreichen, werden enorme Energiemengen benötigt. Neue Materialien für Kathoden und Elektrolyt ermöglichen zukünftig eine höhere Energiedichte und werden voraussichtlich sogar einen Taupunkt von -60 °C benötigen. „Das ist enorm energieintensiv, sehr teuer und schlecht für die Umweltbilanz“, so Willmot. Angesichts der hohen Energiepreise ist die Batteriezellenfertigung in Europa im Vergleich mit asiatischen Herstellern deshalb aktuell nicht wettbewerbsfähig.
Mit Mini-Environments bis zu 77% Energie sparen
Statt auf große Rein- und Trockenräume setzen die QueEn Projektpartner auf den Einsatz energieeffizienter Mini-Environments in einem vollverketteten Prozess mit vollautomatischen Schleusen. Dabei werden kompakte, geschlossene und lokal begrenzte Reinluftbereiche vom Sauberraum bis Reinraumklasse ISO 6 geschaffen, in denen die partikelarme, trockene Luft mit einem Taupunkt von -60 °C gezielt an den Point-of-Use geführt wird, während in der Produktionshalle moderate klimatische Bedingungen ausreichen. Die Konzentration auf Mini-Environments kann nach ersten Berechnungen den Energiebedarf bei der Produktion von Li-Ionen-Batterien um bis zu 77 % zu senken.
Erfahrung mit Klimatisierung und Batteriefertigung gefragt
Weiss Klimatechnik verantwortet im QueEn-Projekt die Bereitstellung der trockenen, temperierten und partikelarmen Luft unter anderem bei der Elektrolytbefüllung in äußerst kompakten Mini-Environments. „Das ist die Führungsgröße bei der Batteriezellenfertigung und im Projekt“, erklärt Martha Willmot. Als Technologieführer entwickelt der Reinraumspezialist das zentrale Luftmanagementsystem für die Mini-Environments auch auf Basis der Erfahrungen in der Halbleiterproduktion. Technologisch wird dabei die erprobte Adsorptionstrocknung genutzt, um die extrem niedrigen Taupunkte zu sichern. Dank einer optimierten Steuerungstechnik und einer intelligenten Druckregulierung kann die Luft dabei punktgenau konditioniert werden. Sensoren messen die Luftqualität direkt an den Prozesspunkten und ermöglichen die schnelle und präzise Nachsteuerung auch während des laufenden Fertigungsprozesses.
Optimaler Schutz für Personen, Produkt und Prozess
Neben der enormen Energieeinsparung bieten Mini-Environments weitere Vorteile für eine sichere, hochqualitative Batteriezellenfertigung. Die abgetrennte reine Produktionsumgebung schafft nicht nur die passenden trockenen Luftbedingungen, sondern schützt die zu fertigenden Batteriezellen und den Fertigungsprozess vor weiteren störenden Einflüssen wie beispielsweise Partikel oder einem Feuchteeintrag durch den Menschen. Dies verhindert ungewollte Reaktionen und Havarien, von der Bildung toxischer Gase bis hin zu Kurzschlüssen und Bränden. Zudem verbessern Mini-Environments den Schutz und die Arbeitsbedingungen der Anlagenbediener. Sie können in Werkshallen mit normaler, für Menschen angenehmer Luftfeuchte arbeiten und sind bei eventuellen Störfällen am Point-of-Use durch spezielle Maßnahmen vor austretenden Gasen und Säuren geschützt.
Erfolgreicher Proof-of-Concept
Das QueEn-Projekt ist bei der Umsetzung der Mini-Environments auf einem vielversprechenden Weg. Weiss Klimatechnik hat bereits den Proof-of-Concept durchgeführt. Zwei Prototypen werden Ende des Jahres an das Fraunhofer-Institut geliefert und in einem Großdemonstrator in Betrieb genommen. Bis zum Abschluss des Projekts im Jahr 2026 erfolgen weitere Optimierungen. Martha Willmot erwartet, dass einige der entwickelten Lösungen sogar patentiert werden können. Das QueEn-Projekt zeigt, wie der Wirtschaftsstandort Europa durch die Zusammenarbeit von Forschungseinrichtungen und Industriepartnern gestärkt und langfristig nachhaltig aufgestellt werden kann.