GREENCAL

/ HICON JOURNAL 2024-02-DE

EBNER.blog | Karl Wohlfart & Sascha Eppensteiner, EBNER

GREENCAL

Innovative Kontiglühlinien für die Batterieproduktion.

Der Markt für Batterietechnologie wächst rasant und nimmt eine bedeutende Rolle in der modernen Energieversorgung ein. Haupttreiber dieses Wachstums sind die steigende Nachfrage nach batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (BEV), tragbaren elektronischen Geräten und zu stationären Energiespeichersystemen für erneuerbare Energien. Als Basistechnologie haben sich hier die Lithium-Ionen-Batterien (LiB) durchgesetzt. Diese werden entweder als zylindrische, prismatische oder als Beutelzelle (Pouch cell) ausgeführt.

Führende BEV-Hersteller setzen auf zylindrische LiB-Zellen, denn diese bieten eine hohe Energiedichte, lange Lebensdauer, hohe Zyklusanzahl an Be- und Entladungen, eine stabile Leistungsfähigkeit sowie ein gut kontrollierbares Temperaturmanagement im Batterie-Pack. Technologische Innovationen und Verbesserungen der Produktionsmethoden hin zur Großserienproduktion befeuern das Marktwachstum. Fortschritte in der Materialwissenschaft und optimierte Fertigungstechniken mit hohen Stückzahlen ermöglichen eine höhere Leistungsfähigkeit und senken gleichzeitig die Kosten. Die Vielzahl an Batterie-Giga-Factories, welche sich in Bau oder in Planung befinden, unterstreicht diese Entwicklung. Asien ist der größte Markt in der Zellfertigung, trotzdem ist dort ein weiterer Aufbau der Fertigungskapazitäten (um ca. 2700 GWh/a bis 2030) geplant. Ebenfalls wächst Europa und Nordamerika stark in diesem Segment; in Europa ist der zusätzliche Aufbau von ca. 1900 GWh/a und in Nordamerika von ca. 1550 GWh/a bis 2030 geplant.

Herstellung von Batteriezellen-Gehäusen

Für die Herstellung von Zellgehäusen kommen niedrig gekohlte Stähle mit geringen Legierungsanteilen und sehr hohem Reinheitsgrad, welche besondere Tiefzieheigenschaften aufweisen, zum Einsatz. Nach dem Beizen des Warmbandes und dem Kaltwalzen erfolgt die Reinigung und Beschichtung der Bänder. In einem elektrolytischen Prozess wird eine Beschichtung aus Nickel und, je nach Anwendung, Zusatzelementen aufgebracht. Dies stellt besondere Korrosionseigenschaften sicher. Im Anschluss erfolgt eine Wärmebehandlung, um die gewünschten Materialeigenschaften einzustellen. Das Ziel ist eine oxidfreie, feine und isotrope Kornstruktur, welche eine exzellente Formbarkeit in Längs- und Querrichtung aufweist und zipfelfreies Tiefziehen ermöglicht. Ebenso wird die Verbindung der Nickel-Beschichtung mit dem Stahl-Substrat durch einen Diffusionsprozess sichergestellt. Je nach Banddicke, mechanischen Ziel-Eigenschaften, Diffusionsschichtdicke bzw. der Endanwendung werden die Bänder über verschiedene Prozessrouten produziert. Die sehr spezielle Wärmebehandlung kann mit gewissen Einschränkungen in Coil-Form in einer bewährten HICON/H2® Haubenofenanlage oder im Durchlaufprozess in einer kontinuierlichen Glühanlage erfolgen. Anschließend erfolgt die Feineinstellung der Eigenschaften und der Oberfläche auf einem Nachwalzgerüst. In weiterer Folge erfolgt der Tiefziehprozess zum Batterie-Zellgehäuse, welches dann mit Anode, Kathode und Elektrolyt befüllt wird. Die Anforderungen der Zukunft, speziell jene aus der E-Mobilität, stellen uns alle vor die Herausforderung, unsere Prozesse nachhaltiger zu gestalten und dabei wettbewerbsfähig zu sein. Aus diesem Gesichtspunkt heraus hat EBNER für den kontinuierlichen Prozess ein neuartiges Konzept einer horizontalen Konti-Glühlinie „GREENCAL®“ entwickelt, welche sich auf Energieeffizienz, Emissionsvermeidung und höchste Durchsatzleistung fokussiert. Damit werden alle bei der Herstellung von Ni-beschichteten Stahlbändern möglichen kontinuierlichen Wärmebehandlungstechnologien, wie z.B. Normalisieren, Diffusionsglühen, Kurzzeitglühung, mit einer Prozesslinie abgedeckt. Durch die Kombination von Hochkonvektion und hochreiner Prozessatmosphäre erfolgt eine sehr genaue Temperaturverteilung über die Bandbreite bei gleichzeitig hoher Durchsatzleistung und reproduzierbaren Materialeigenschaften. Die Beheizung erfolgt vorzugsweise voll-elektrisch und verursacht somit keine lokalen CO₂– bzw. NO_x Emissionen.

Im Gegensatz zu vertikalen Multipass-Öfen zeichnet sich die horizontale GREENCAL® durch folgende Eigenschaften besonders aus:

Hohe Ofentemperaturen, um das gewünschte Gefüge bei hoher Leistung einstellen zu können (bis zu 1020 °C gegenüber typ. max. 900 °C bei Vertikalöfen)
Niedrige Bandzüge (~ 3 MPa gegenüber 6 – 8 MPa in Vertikalöfen)
Niedrige Taupunkte durch dichte Ofenbauweise (~ -40 °C gegenüber ~ -20 °C bis -30 °C in Vertikalöfen)
Linienförmiger Kontakt des dünnen Bandes mit kleinen Ofenrollen anstatt großflächigen Kontakts, daher geringeres Risiko für Oberflächenbeschädigungen, Rollen-Pickups, „Heat buckles“ und Bandrisse
Umlenkungsfreie Wärmebehandlung anstatt mehrfache 180° Umlenkungen bei hohen Bandtemperaturen, daher Vermeidung von Bandbeschädigungen durch Fließlinien und „Heat buckles“
Heizeinrichtung sicher geschützt vor Bandkontakt bzw. Beschädigung im Falle eines Bandrisses
Umstellung zwischen verschiedenen Glühzyklen ohne manuelle Eingriffe
Hohe Anlagenverfügbarkeit bzw. geringe Stillstandszeiten gewährleisten höchste Produktivität

Die Vorteile des GREENCAL® Konzepts

Flexibles Anlagenkonzept mit hoher Durchsatzleistung

Unterschiedliche Glühtechnologien in einer Linie darstellbar
Verschiedene Beheizungsarten in einer Linie kombinierbar
Modularer Anlagenaufbau für spätere Leistungssteigerung möglich
Flexible Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten, entsprechend der technologischen Anforderung

Nachhaltige Beheizungsmethoden

Emissionsfreie Elektrobeheizung mit HICON® Hochkonvektionsumwälzung mit hohem Energieeintrag auf kurzer Länge im Aufheizbereich
Emissionsfreie Elektrobeheizung mit Strahlrohren, speziell für Haltezonen
Emissionsfreie Induktionsbeheizung mit Längsfeld- und/oder Querfeldinduktoren (hierbei sind jedoch, je nach Bandabmessung und Zieltemperatur, Einschränkungen in der Temperaturgleichmäßigkeit und höhere spezifische Energieverbräuche zu berücksichtigen)
Emissionsarme Brenngasbeheizung mit hocheffizienten rekuperativen Strahlrohren

Der höchste Wirkungsgrad, d.h. die niedrigsten spezifischen Energieverbräuche (kWh/t), werden bei einer Ausführung mit elektrischer Hochkonvektionsheizung erzielt.

Flexible Bandtemperaturführung

Sehr präzise Temperaturregelung und – verteilung
Variable Aufheiz- bzw. Abkühlgradienten
Flexible Haltezeiten

Gasdichtes Ofenkonzept

Mit speziellem Dichtungskonzept im Ein- und Austritt sowie bei Rollendurchführungen
Präzise Schutzgasführung und Ofendruckregelung
Niedrige Taupunkte

Niedrigste Energie- und Medienverbräuche

Sehr effizientes Beheizungskonzept
Spezielle leichte Fasermodul-Auskleidung
Prozessgas-Wiederverwendung mit bis zu 80 % Recyclingrate
Wärmerückgewinnung direkt im Prozess möglich

Beschädigungsfreier Bandtransport

Angetriebene Dichtrollen in Ofeneintritts- und
Austrittsdichtung
Spezielles Design der Ofenrollen
Einzel-Rollenantriebe mit präzisen Servoantrieben
Vermeidung von Aufbackungen auf Rollen / hohe Ofenrollen-Standzeit

Bedien- / Wartungsfreundliches Anlagenkonzept

Einfacher Rollenausbau (ohne Hallenkran möglich)
Bandrisserkennung samt Schutzeinrichtungen für Bauteile im Ofen-Innenraum
Einfaches Einfädeln eines neuen Bandes
Schnelles Aufheizen und Abkühlen der Ofenanlage bei Prozessumstellungen

Zusammenfassung und Fazit

Mit der Entwicklung einer Hochleistungsglühlinie für Batteriestähle, welche den klaren Fokus auf Energieeffizienz, Emissionsvermeidung und hoher Durchsatzleistung hat, wurde ein großer Schritt in Richtung nachhaltige Produktionsmethoden für die Metallindustrie und E-Mobilität gesetzt.

Die ersten Anlagen haben bereits erfolgreich den Betrieb aufgenommen. Weitere befinden sich derzeit im Bau.