Gegenwärtig ist die Beschichtung von Verbrennungsmotor-Komponenten das bedeutendste Einsatzfeld der Vakuum- und Plasmatechnik im Automobilbau. Die Motoren werden dank dieser Technologien zuverlässiger und effizienter. Im Zeichen des Klimawandels hat sich allerdings die Notwendigkeit des Umstiegs von Verbrennungs- auf Elektromotoren zum Erreichen von CO2-Neutralität als Konsens weitgehend durchgesetzt. Das Ende der Vorherrschaft des Verbrenners im Fahrzeugbau ist absehbar. Verliert damit die Vakuum- und Plasmatechnologie in der Automobilindustrie an Relevanz?
Ganz im Gegenteil: Die bevorstehende Transformation wird die Bedeutung eher noch steigern, ob in der Batteriezellenproduktion oder den Bereichen Arbeitssicherheit und Qualitätskontrolle. Vakuumtechnik ist für diverse Prozessschritte unabdingbar, der Fortschritt bei den Fahrzeugen und ihren Komponenten wird mit der Entwicklung der geeigneten Vakuumumgebung Hand in Hand gehen. Bis 2030 könnte, so die Einschätzung des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung im Jahr 2020, die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien nochmals «maximal verdoppelt» werden – sofern die entsprechenden F&E-Herausforderungen bewältigt werden.
Erklärtes Ziel: Mehr Energie speichern bei geringeren Herstellungskosten
Wo spielen Vakuum- und Plasmatechnologie zukünftig mit? Zunächst einmal bei der Beschichtung. Elektromotoren benötigen ganz genauso Beschichtungen wie der Verbrenner. Besonderes Augenmerk liegt hier auf der Reduzierung von Reibungsverlusten. Schließlich soll die erzeugte Energie nicht im Motor verloren gehen, sondern auf die Straße gebracht werden. Zum Beispiel werden alle beweglichen Teile von Lagern mit extrem glatten, abriebfesten Schichten überzogen. Willkommener Nebeneffekt: Die oft nur wenige Atomlagen dünnen Schichten vermeiden unerwünschte elektrische Flüsse, die einzelne Bauteile oder den gesamten Elektromotor beschädigen können.
Die bei Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb zum Einsatz kommenden Lithium-Ionen-Akkumulatoren bestehen in der Regel aus vielen parallel zueinander angeordneten Batteriezellen. Diese wiederum setzen sich aus einer elektrisch negativ geladenen Graphitschicht und einer positiv geladenen Lithium-Metalloxidelektrode zusammen. Eine «Separator» genannte Schicht trennt die beiden voneinander. Eine nichtwässrige Lösung, das Elektrolyt, füllt das Restvolumen der Zelle. Jede Elektrode besteht aus einem Stromableiter aus Kupfer oder Aluminium, der mit Anoden- oder Kathodenmaterial beschichtet ist.
Kontinuierliche Weiterentwicklungen bei Beschichtung und Trocknung
Für das Aufbringen solcher Beschichtungen entwickelt ein Verbund von Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft in Zusammenarbeit mit der staatlichen niederländischen Forschungseinrichtung «The Netherlands Organisation» (TNO) das SALD-Verfahren zur Herstellung atomlagen-dünner Schichten. SALD steht für «Spatial Atom Layer Deposition». Die mit dem Verfahren hergestellten Akkus bieten enorme Vorteile im Vergleich zu den gegenwärtig verbauten Akkumulatoren. Sie lassen sich fünfmal schneller laden und sollen über eine dreimal so hohe Kapazität und damit Reichweite verfügen. Neu an SALD ist das «S», denn die ALD-Verfahren haben schon heute ihren festen Platz in der Plasmatechnologie. VAT liefert beispielsweise für diesen Bereich Ventile der Baureihen 09 und 26.4 sowie neu entwickelte Transferventile an die Anlagenbauer.
Die Beschichtung hat zunächst die Konsistenz einer «Paste» und muss trocknen. Bei der Weiterentwicklung der Elektrodentrocknung steht zum einen die Verkürzung der dafür benötigten Zeit im Fokus. Kurze Trocknung heißt erhöhter Anlagendurchsatz und das wiederum führt zu sinkenden Stückkosten. Zum anderen soll die Langzeitstabilität der Elektroden erhalten oder gar verbessert und damit die Lebensdauer des Akkumulators verlängert werden. Eine Aufgabe ist, das Zusammenspiel von Trocknungsdauer und -intensität mit anderen Zelleigenschaften ganz genau zu kennen und die zahlreichen Parameter in das bestmögliche Verhältnis zu bringen.
Die Trocknung selbst erfolgt im Vakuum. Nur so lassen sich Verunreinigungen, zum Beispiel durch zurückgebliebenes Lösungsmittel oder durch Restfeuchtenester, vermeiden. Zudem reduziert das Vakuum den Energieverbrauch: Ohne Vakuum wären deutlich höhere Temperaturen notwendig, die sich wiederum negativ auf die Materialeigenschaften der Elektrodenschichten auswirken könnten.
Herausforderung Befüllung
Schließlich muss jede Batteriezelle mit Elektrolyt befüllt werden. So mancher Autofahrer erinnert sich vielleicht noch an Batteriesäure. Die hat man höchstpersönlich regelmäßig nachgefüllt, um den Ladezustand des im Wagen verbauten Bleiakkus zu erhalten. Da die Flüssigkeit zu 37 Prozent aus der stark ätzenden Schwefelsäure bestand – eine der stärksten Säuren überhaupt –, war höchste Vorsicht geboten. Aktuell eingesetzte Elektrolyte, ob flüssig oder fest, haben ebenfalls ihre problematischen Seiten. Viele sind leicht entzündlich und sehr reaktiv, daher muss die Befüllung aus Sicherheitsgründen unter Ausschluss von Sauerstoff erfolgen. Gleichzeitig gewährleistet das Vakuum eine hohe Reinheit der Arbeitsumgebung – sprich: es verhindert den Eintrag von Partikeln und Restfeuchte – und trägt zur gleichmäßigen Benetzung der Elektroden bei.
Austretendes Elektrolyt stellt eine immense Gefahr dar, sodass am Ende der Produktion der Leckagetest unter Vakuum ein kritischer Prozessschritt ist. Bei der Dichtigkeitsprüfung hat der klassische Druckabfalltest allerdings ausgedient. Wegen der sehr kurzen Zykluszeiten kommen heute vor allem Lecksucher mit Helium als Prüfgas zum Einsatz.
Fazit: Elementare Prozessschritte finden in einer Vakuumumgebung statt.
»Vakuumtechnologie ist weder aus der Fertigung noch aus der Entwicklung von Akkumulatoren und Elektromotoren wegzudenken», betont Christian Schmidt, VAT Sector Manager. Eine ganze Reihe an Prozessen laufe unter Vakuum ab und verlange die Einhaltung hoher Sicherheitsstandards. Maschinen- und Anlagenproduzenten, die Batteriehersteller beliefern, seien ebenso auf Ventiltechnik angewiesen wie die Batteriehersteller selbst.
Entscheidende Weichen für die Zukunft werden in Forschungseinrichtungen gestellt, die an der Weiterentwicklung aller Komponenten beteiligt sind. Die Rolle der Vakuumtechnik ist hier nicht zuletzt eine strategische: Sie kann durch ihren Beitrag zur Produktionsumgebung bestimmte Prozessherausforderungen angehen, Lösungen anbieten und zum Treiber der Elektromobilität werden.
VAT arbeitet daher mit Forschungseinrichtungen in aller Welt zusammen. Ziel ist es, das bestehende Vakuumventil-Portfolio für die Elektromobilität schrittweise zu erweitern und mit Blick auf die aktuellen Trends und Fortschritte voranzutreiben. Das Spektrum reicht von schnell schließenden Vakuum-Transfertüren für Inline-Batterie-Modul-Fertigungsanlagen über modulare Isolations- und Steuerventilkonzepte, die leicht an veränderte Produktionsbedingungen angepasst werden können, bis zur Bereitstellung kompletter Vakuumprozessmodule. Kurz gesagt: VAT bietet Produzenten und Anlagenbauern auch im Zuge der Mobilitätstransformation maßgeschneiderte Ventillösungen für unterschiedlichste Anwendungsbereiche.