Partikelkontrolle in der Gigafactory: thermisches Durchgehen und Dendritenbildung in Li-Ionen-Zellen verhindern, unter den Anforderungen der ISO 14644.

Sensor SafyrOPC ist das OEM-Modul: ein optischer Partikelzähler zur Integration in ein Gerät, kein einsatzfertiges Instrument — das ist das SafyrOPC Instrument.
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Das SafyrOPC Instrument ist das einsatzfertige Gerät — nicht zu verwechseln mit dem Sensor SafyrOPC, dem OEM-Modul zur Integration.
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PMDuct ist eine Lösung für die Partikelmessung (PM1, PM2.5, PM10) in Lüftungskanälen und Reinluftanlagen.
Mehr erfahrenDas rasche Wachstum des Marktes für Elektrofahrzeuge bringt eine große Herausforderung mit sich: mehr Batteriezellen zu fertigen, das wesentliche Bauteil dieser Fahrzeuge.
Nahezu 4 000 Brände wurden durch thermisches Durchgehen von Batterien verursacht — ein Risiko, das sich in Systemen hoher Energiedichte sehr schnell verschärfen kann. Zugleich bleibt die Ansammlung von Partikeln eine stille Bedrohung, Ursache von 25 % der Anlagenausfälle. Diese beiden Zahlen zeigen den Bedarf an feineren Überwachungslösungen, die Gefahren erkennen und abwenden, bevor der kostspielige — oder schwerwiegende — Vorfall eintritt.
Das rasche Wachstum des Marktes für Elektrofahrzeuge zwingt dazu, die Zellfertigung zu erhöhen. Diese Nachfrage rührt vom Zuwachs des weltweiten Bestands her, der von 7 Millionen Fahrzeugen im Jahr 2019 auf rund 42 Millionen im Jahr 2023 gestiegen ist. Um ihr zu begegnen, investieren Europa und die Vereinigten Staaten massiv in den Bau von Gigafactories im eigenen Land, um mit der heute vorherrschenden chinesischen Produktion mitzuhalten.
Die Fertigung von Li-Ionen-Batterien birgt jedoch eigene Risiken. Die eingesetzten Werkstoffe reagieren mit Sauerstoff und Feuchtigkeit und erzeugen explosive Gase wie Wasserstoff sowie gefährliche Gase wie Fluorwasserstoff. Der Einsatz toxischer Metalle, insbesondere von Cobalt in Pulverform, stellt darüber hinaus eine Gefahr für die Beschäftigten und für die Umwelt dar. Eines der größten zu lösenden Probleme ist die Dendritenbildung in den Zellen, die ein thermisches Durchgehen und in der Folge das Entzünden oder Explodieren der Batterie auslösen kann. Dieses Phänomen, verursacht durch das Wachstum metallischer Strukturen zwischen den Elektroden, wird durch Fremdpartikel während der Montage verstärkt.
Um die Risiken der Partikelkontamination zu begrenzen und die Batteriequalität zu verbessern, ist die Fertigung im Reinraum unerlässlich. Partikel auf dem Separator begünstigen die Dendritenbildung und den Kurzschluss, während eine Verunreinigung des Elektrolyten Kapazität und Lebensdauer der Batterie verringert. Die Normen ISO 14644 legen die geltenden Anforderungen fest. Je nach Fertigungsschritt ist für die Zellfertigung in der Regel eine Klassifizierung ISO 5 oder 6 erforderlich, während für die Montage von Modulen und Packs eine Klasse ISO 7 oder 8 ausreichen kann.
Die Sensorleistung ist nur ein Teil der finalen Messung. Probenahme, Luftführung, Einlassgestaltung, Gehäuse, Elektronik, thermische Bedingungen, Kommunikation, Kalibrierstrategie und Langzeitverifizierung beeinflussen alle die Datenqualität des finalen Systems. TERA Sensor unterstützt Systemdesign und -integration, TERA Tronics kann das Projekt durch Prototyping, Industrialisierung und Fertigung erweitern.
Die Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien, besonders für Elektrofahrzeuge, stellt große Anforderungen an Sicherheit und Qualität.
— Gefahr des thermischen Durchgehens: durch Überhitzung der Zellen ausgelöst, kann es zu Bränden und Explosionen führen.
— Dendritenbildung: durch Fremdpartikel verstärkt, kann sie Kurzschlüsse verursachen und die Lebensdauer verkürzen.
— Partikelbelastung: Partikel im Elektrolyten beeinträchtigen die Kapazität und die Gleichmäßigkeit der Fertigung. Der Einsatz toxischer Metalle wie Cobalt und Mangan setzt die Beschäftigten zudem gesundheitlichen Risiken aus.
Reinräume sind kontrollierte Umgebungen, in denen die Belastung durch luftgetragene Partikel so gering wie möglich gehalten wird. Sie spielen eine entscheidende Rolle:
— Brand- und Explosionsgefahr verringern, indem Partikel begrenzt werden, die die Dendritenbildung verstärken.
— Batteriequalität verbessern, indem die Verunreinigung des Elektrolyten beherrscht wird, was Kapazität und Lebensdauer erhöht.
— Gesundheit der Beschäftigten schützen, indem die Konzentration schädlicher Partikel in der Luft niedrig gehalten wird.
Die Überwachung in Echtzeit ist wesentlich, um eine optimale Fertigungsumgebung zu sichern.
— Systeme zur fortlaufenden Messung: Sensoren wie der SafyrOPC, gestützt auf die NextPM-Technologie, verfolgen die Partikelkonzentration in der Luft fortlaufend.
— Laboranalyse: bei einer Belastungsspitze oder einem ungewöhnlichen Ereignis erlaubt eine ergänzende Analyse, die chemische Zusammensetzung der Partikel zu bestimmen und gegenzusteuern.
— Biomonitoring: bei möglicher Exposition gegenüber toxischen Stoffen kann ein Biomonitoring der Beschäftigten eingerichtet werden.
Sprechen wir über Ihr Projekt — unser Team empfiehlt Ihnen den passenden Sensor oder das passende Messgerät.