Innovative und effiziente Produktionsanlagen für Elektroden und weitere Batterie-Komponenten – passgenaue Lösungen aus einer Hand

Seit die Olbrich GmbH, die Saueressig Group und die Marke Polytype Converting gemeinsam als Teil von Matthews Engineering am Markt auftreten, erfährt nicht nur der Kerngeschäftsbereich des „klassischen“ Coating und Converting spürbare Synergieeffekte – insbesondere der Energie-Bereich, der den rasant wachsenden Markt für erneuerbare Energien und fortschrittliche Speicherlösungen bedient, positioniert sich mit einem breit aufgestellten, dabei gezielt auf Kundenerfordernisse ausgerichteten Portfolio.

„Wir sind davon überzeugt, dass wir ausgesprochen innovativ sein müssen, um die Kapazitäten im Batteriesektor zu stärken und die angestrebten Klimaziele zu erreichen – aus diesem Grund haben wir uns der Aufgabe verschrieben, die Pioniere von morgen durch die Entwicklung und Bereitstellung von hochmodernen Maschinen und Anlagen zu unterstützen“, erklärt Brandon Babe, Senior Vice President and Business Head, Matthews Engineering. Basierend auf jahrzehntelanger Erfahrung als führender Hersteller von Maschinen und Anlagen für die Verarbeitung von bahnförmigen Materialien, hat das Unternehmen erfolgreich den Transfer seiner Kernkompetenzen in den Bereich Erneuerbare Energien geleistet. „Mit der Zusammenführung unserer Kapazitäten und der Kompetenzen aller drei Marken hat unser Portfolio im Batteriebereich – wie auch im Bereich Brennstoffzelle – eine entscheidende Erweiterung erfahren,“ fasst Esa-Matti Aalto, Senior Vice President/General Manager Coating & Converting Industries, Matthews Engineering, zusammen. „So können wir die Anforderungen des wachsenden Marktes umfassend beantworten – einschließlich der so zentralen Themen wie Skalierbarkeit und Effizienz in der Produktion von Batterie-Komponenten.“

Umfassendes Portfolio für die Produktion von Batterie-Komponenten

Eine Batterie ist ein hochkomplexes Produkt, dessen Fertigung eine differenzierte Prozesskette zu Grunde liegt. Für die Produktion der einzelnen Komponenten existiert in den meisten Fällen eine Reihe verschiedener Verfahren und Technologien – mit unterschiedlichsten Herausforderungen und Vorteilen, und mit teils immensen Auswirkungen auf die Qualität und Leistungsfähigkeit des Endprodukts „Batterie“. Schematisch umrissen, sieht der Aufbau einer Batteriezelle folgendermaßen aus: Diese besteht aus einer positiv und einer negativ geladenen Elektrode (Anode und Kathode), die durch einen Separator elektrisch voneinander isoliert sind. Die Batteriezelle wird nach der Zellassemblierung mit einem Elektrolyt durchsetzt, der den Ionen-Fluss ermöglicht. Schließlich wird ein Zellgehäuse benötigt, das dem Schutz vor äußeren Einflüssen – vor mechanischen Einwirkungen sowie vor Auslösern chemischer Reaktionen – dient und den Austritt des Elektrolyts verhindert.

Für die Mehrheit der genannten Komponenten entwickelt und fertigt Matthews Engineering hochspezialisierte Maschinen und Anlagen, und bildet dabei den gesamten Prozess von der Entwicklung über die Konstruktion und Fertigung bis hin zur Installation und Inbetriebnahme der Produktionslinien ab. Lösungen für die Batterie-Industrie umfassen die Elektrodenfertigung in verschiedenen Verfahren, einschließlich Primer Coating zur Optimierung des Kontaktes zwischen Elektrode und Elektrodenableiter (Aluminium- bzw. Kupferfolie), und Anlagen für die Beschichtung des Separators. Produktionslinien für Battery Wrapping-Anwendungen ergänzen das Portfolio.

Im Detail: Elektrodenfertigung im Nassbeschichtungs- und Trockenverfahren

Als konventionelles Verfahren zur Fertigung von Elektroden ist in der Industrie die nasschemische Beschichtung weit verbreitet. Hierbei wird ein sogenannter Slurry – bestehend aus den Aktivmaterialien, Additiven und einem Lösungsmittel – auf die jeweilige Substratfolie (Aluminium bzw. Kupfer) aufgetragen. Nach Durchlaufen der Trocknung erfolgt die Verdichtung der Elektrode auf ihre endgültige Materialdichte und Beschichtungsdicke mittels Kalandrierung. Matthews Engineering bietet hierfür bewährte, ideal ausgelegte Produktionsanlagen, sowohl für die Elektrodenfertigung im Nassbeschichtungsverfahren mit kontinuierlicher Beschichtung als auch mit intermittierender Beschichtung – letztere dank des patentierten Spaltsystems mit konstanter Spalteinstellung und einer gleichmäßigen Dickengenauigkeit von +/- 1 µm.

Seit einiger Zeit setzt die Batterie-Branche in der Elektrodenproduktion vermehrt auf Herstellungsprozesse im Trockenverfahren, die ohne Lösungsmittel auskommen und das Spektrum der infrage kommenden Aktivmaterialien erweitern. Das innovative, von Matthews Engineering entwickelte Verfahren zur Herstellung von Trockenelektroden (Dry Battery Electrodes oder kurz DBE) ermöglicht es, in nur wenigen Produktionsschritten aus dem Aktivmaterial in Pulverform einen Trockenfilm zu erzeugen und mit höchster Präzision direkt auf die leitende Trägerfolie aufzubringen. Damit unterscheidet es sich von gängigen Verfahren.

Dem vorgelagert ist der Prozess des Primer Coating, für den Matthews Engineering ebenfalls Anlagen liefert, die auf eine hoch-effiziente Produktion ausgelegt sind. Das Substrat (Aluminium bzw. Kupferfolie) wird hierbei mit einem Primer beschichtet, um die Haftung zwischen der Metallfolie und dem im folgenden Schritt aufgebrachten Aktivmaterial zu erhöhen bzw. dessen Ablösung zu verhindern. Diese Vorbehandlung bietet darüber hinaus eine ganze Reihe von Vorteilen, die sich merklich auf die Leitfähigkeit, Stabilität bzw. Sicherheit und die Energiedichte der Batteriezelle auswirken. Die Anlagen können dabei auf einer Breite von über 1,500 mm kundenspezifisch ausgelegt werden, mit möglichen Beschichtungsgewichten von 0,5 – 3 g/m² (trocken) und einer Substratdicke von 6 – 15 µm, wobei je nach Spezifikation aktuell eine Produktionsgeschwindigkeit bis 300 m/min erreicht wird – höhere Geschwindigkeiten sind bereits in der Entwicklung.

Zusätzlich kann das Beschichtungsdesign flexibel angepasst werden: Das sogenannte Stripe Coating (mit unbeschichteten Bereichen in Streifenform) hat zum einen funktionale Gründe, die im späteren Stadium der Zellassemblierung zum Tragen kommen, zugleich sorgt diese Art der Beschichtung für möglichst geringen Materialausschuss im Schneideprozess.

Um an dieser Stelle noch einmal auf die Kalandersysteme zurückzukommen: Eine der Herausforderungen haben beide Herstellungsverfahren des Nassbeschichtungs- und des Trockenverfahren gemeinsam. Die eingesetzten Kalanderwalzen haben sehr hohe Anforderungen an Rundlauf, Zylinderform und Oberflächengüte, um die erforderliche Performance zu erzielen. Auch hier kommt Kunden der Batterie-Branche die breite Aufstellung des Unternehmens zugute. Von Saueressig produzierte Kalanderwalzen und Glättwalzen werden seit Jahrzehnten in unterschiedlichsten Converting-Bereichen als laufstarke Werkzeuge eingesetzt. Die Kalanderwalzen für die Elektrodenproduktion mit hohen Härtewerten und extremen Einhärtetiefen werden selbst den fordernden Temperaturen und Belastungen im Walzenspalt gerecht, und erfüllen damit die hohen Anforderungen der Batterie-Industrie. Zugleich unterliegen die Walzen zwangsläufig einem Verschleiß. Hier setzt der umfassende Walzenservice an – mit der Aufbereitung (Refurbishment) der Walzen in dem aktuell in der Erweiterung befindlichen Precision Center in Vreden (DE) sowie am nordamerikanischen Standort in San Antonio, Texas (USA), die jeweils mit einem hochmodernen Maschinenpark für den Präzisionsschliff und den erforderlichen finalen Finish der Walzen ausgestattet sind.

Im Detail: Beschichtungsanlagen für Separator-Folie

Die Separator-Folie, die in der Batteriezelle zwischen Anode und Kathode platziert wird, muss idealerweise dünn und so perforiert sein, dass die Durchlässigkeit gegenüber Lithium-Ionen gewährleistet ist. Für die Produktion dieser Batterie-Komponente bringt dies bestimmte Herausforderungen mit sich, denen Polytype Converting mit einem Prozess- und Anlagendesign begegnet, das niedrigste Bahnspannungen erlaubt und gezielt der hohen Anfälligkeit des Substrats für Faltenbildung entgegenwirkt. Lösungen sind hier unter anderem die Verwendung von Gravurwalzen mit angepasstem Durchmesser in einem System mit Druckkammerrakel, eine optimierte Bahnführung –  gerade auch hinsichtlich der Planlage der Separator-Folie im Bereich der Beschichtungsmaschine – sowie die optimale Auslegung des Trocknungsprozesses unter Verwendung eines Systems mit angetriebenen Leitwalzen. Dieses sorgt für einen angepasst hohen Wirkungsgrad in Bezug auf Wärmeübergang und niedrige Warenbahnspannungen.

Zwei Varianten der Separator-Folie stehen im Fokus: Zum einen werden PE-Folien (aus biaxial orientiertem Polyethylen) mit einer Stärke von 6 – 20 µm und einer Bahnbreite von 1.400 mm in nur einem Durchgang beidseitig mit einer kontinuierlichen Beschichtung versehen. Über übliche Produktionsgeschwindigkeiten von 200 m/min hinaus konnten dabei bereits mehrfach Beschichtungsgeschwindigkeiten von 400m/min stabil und mit gleichbleibend hoher Qualität gefahren werden. Die wasserbasierte keramische Beschichtung erhöht die thermische Widerstandsfähigkeit und dient letztlich dem Schutz der PE-Folie. Darüber hinaus ist ein spezielles Set-Up möglich, in dem das bereits behandelte Substrat, dem oben beschriebenen Prozess folgend, zusätzlich eine gepunktete Polymerbeschichtung und/oder eine vollflächige Klebebeschichtung erhält.

Kontinuierliche Entwicklung und größtmögliche Effizienz wird auch im Bereich Separator-Folie großgeschrieben. Im Competence Center in Bocholt (DE), welches gemeinsam mit dem Standort in Fribourg (CH) umfassende Testmöglichkeiten für die Converting-Branche bietet, können individuelle Kundenversuche gefahren werden.

Im Detail: Battery Wrapping

Während für die Produktion des flexiblen Zellgehäuses von Pouch-Zellen auch das thermische Verfahren (basierend auf Extrusion) in Frage kommt, setzt Polytype Converting auf das sogenannte Trockenverfahren. Dabei wird in einem ersten Schritt zunächst doppelseitig ein Primer Coating auf das Substrat (Aluminium in einer Stärke von 20 – 50 µm) aufgetragen. Diese Beschichtungslösung ist wasserbasiert und erreicht ein Beschichtungsgewicht von 1 – 10 g/ m² bei einem Feststoffanteil von 1 bis 10 Prozent. Die Anlage ist auf maximale Flächen- und Energieeffizienz ausgelegt und benötigt nach der beidseitigen Beschichtung nur einen einzelnen Trockner. In einer separaten Anlage erfolgt anschließend eine direkte, lösemittelbasierte Klebebeschichtung und die Laminierung mit einer PP-Schicht bzw. mit Nylon und PET. Raum- und Investitionskosten spielen eine große Rolle, daher ist in der Regel eine Anlage mit nur einer Beschichtungsstation vorgesehen, in der die Laminierung in mehreren Schritten erfolgt.

Dieses Verfahren bietet im Vergleich zur thermischen Methode mit Extrudern entscheidende Vorteile: Die Prozessgeschwindigkeit ist höher, bei gleichzeitig wasserbeständigen Eigenschaften des Produkts und einem qualitativ hochwertigen Erscheinungsbild mit deutlich weniger Schadstellen.

Innovativer Lösungsanbieter für die Batterie-Industrie

Basierend auf fundierter Expertise in unterschiedlichsten Technologien zur Verarbeitung bahnförmiger Materialien – unter anderem Kalandrieren, Prägen, Glätten, Beschichten, Laminieren, Trocknen, Wickeln, Perforieren – und dank der Übertragung dieser Kompetenzen in den sich rasant entwickelnden Bereich der Batterieforschung und -produktion, gestaltet Matthews Engineering die Zukunft der Energie-Industrie entscheidend mit. „Mit unserem starken Portfolio bilden wir einen breiten Teil der Wertschöpfungskette für die Produktion von Batterie-Komponenten ab. Unsere Kunden aus der Batterie-Industrie profitieren von jahrzehntelanger Erfahrung und passgenauen, skalierbaren Lösungen“, fasst Ning Chen, Senior Vice President Business Development, Energy, Matthews Engineering, zusammen. „Gleichzeitig werden wir uns auch weiterhin als Innovationsführer positionieren. Die effektive Transformation hin zu einer nachhaltigen Energieversorgung verlangt nach ganzheitlichen Lösungen und stetiger Innovation.“