Durchbruch im sechsten Anlauf

Ein Quantensprung für die Batterieindustrie

Die Elektrodenpaste ist für die Leistungs- und Energiedichte einer Batterie entscheidend. Erfahren Sie, wie wir die Herstellung von Elektrodenpaste für unseren Kunden Lishen in China revolutioniert haben.

Es ist 2014: Jesse Wang wischt sich eine Schweissperle aus dem Gesicht und rückt die Atemmaske zurecht. Jetzt bloss keinen Fehler machen. Im Juli vor drei Jahren kam er zu Bühler. Damals wusste er nur wenig über Batterien. Niemals hätte er gedacht, dass er sich zum Experten für einen komplett neuen Prozess zur Herstellung von Elektrodenpaste entwickeln würde. Einen Prozess, der so neuartig wäre, dass sein Kunde Yi Liu später sagen würde: „Diese Lösung von Bühler wird die Batterieindustrie komplett verändern. Das ist ein historischer Moment, ein Umbruch.“

Die Elektrodenpaste ist für die Leistungs- und Energiedichte einer Batterie entscheidend, also für die Leistung und Energie in Bezug auf das Volumen der Batterie. Traditionell werden Elektrodenpasten chargenweise in grossen Behältern hergestellt. Diese herkömmlichen Anlagen sind gross und teuer. Zudem ist der Prozess sehr unflexibel: Falls eine Charge nicht den Anforderungen entspricht, wird sie entweder entsorgt oder für minderwertigere Produkte verwendet.

Während die Herstellung grosser Chargen mehrere Stunden in Anspruch nimmt, dauert es mit dem neuen, von Bühler entwickelten Verfahren nur wenige Minuten. Mithilfe eines drehenden Doppelwellenmischers werden die notwendigen Prozessschritte wie Mischen, Homogenisieren, Dispergieren und Entgasen in einem einzigen Gerät kombiniert, das im Dauerbetrieb läuft.

Fakten

20'0000
hergestellte Autobatterien
Lishen hat eine jährliche Leistung von 10 GW/h. Das reicht aus, um mehr als 200'000 Autobatterien pro Jahr herzustellen.
9000
Mitarbeitende
Lishen beschäftigt heute über 9000 Mitarbeitende
800'000
Elektroautos für China im Jahr 2017
2017 wurden im Land rund 800'000 Elektroautos verkauft. Das entspricht beinahe der Hälfte der weltweiten Gesamtproduktion.

Kurz nach seiner Einstellung erhielt Wang den Auftrag, das Batterielabor am Standort von Bühler in Wuxi zu erweitern. Die Gespräche mit dem ersten Kunden waren derart aussichtsreich, dass sich Bühler schnell zu dieser Vorinvestition entschied. Damit wurde Wang verantwortlich für das Batteriegeschäft in China, unterstützt von seinen Kollegen am Schweizer Hauptsitz, die das ursprüngliche Konzept für den neuen Prozess entwickelt hatten.

Jetzt steht er allein im Batterielabor und führt bereits den sechsten Versuch durch, um die Elektrodenpaste herzustellen. Bislang zeigten die Tests nicht die gewünschten Ergebnisse. Würde er diesmal die hohen Anforderungen des Kunden Lishen erfüllen?

Batterien geben den Takt an

Batterien halten unsere Welt am Laufen. Sie sind die kleinen Energiespeicher, die unser Leben antreiben und einfacher machen. Immer mehr Autos werden komplett von Batterien betrieben – insbesondere in China. 2017 wurden im Land rund 800'000 Elektroautos verkauft. Das entspricht beinahe der Hälfte der weltweiten Gesamtproduktion. Die chinesische Regierung unterstützt die E-Mobilität massiv mit Subventionen. Das ist eine wirksame Massnahme gegen die Luftverschmutzung und bildet einen zentralen Teil der Strategie, mit der China zum High-Tech-Land werden will. Doch die finanzielle Unterstützung läuft voraussichtlich Ende 2020 aus. Spätestens dann müssen die Autobatterien derart leistungsfähig sein, dass sie auf dem freien Markt bestehen können. Grund genug für Batteriehersteller wie Lishen, in erheblichem Masse in die Forschung und Entwicklung neuer Verfahren zur Herstellung von Batterien zu investieren.

Das 1997 gegründete Unternehmen Lishen beschäftigt heute über 9000 Mitarbeitende. Die Liste der Kunden liest sich wie ein Who-is-Who der Elektronik- und Unterhaltungsindustrie: Apple, Samsung, Dell, HP, Huawei und Lenovo sind nur einige der illustren Namen. Der chinesische Batteriehersteller betreibt Produktionsanlagen in Peking, Qingdao, Suzhou, Wuhan, Shenzhen und Mianyang und ist einer der fünf grössten Batterieproduzenten Chinas. Lishen plant, die Jahresleistung von rund 10 GWh bis 2021 auf 40 GWh zu steigern – das entspricht einer Leistung von rund 800'000 Autobatterien.

Diese Lösung von Bühler wird die Batterieindustrie komplett verändern. Es ist ein historischer Moment, ein Umbruch.

YI LIU,
Ingenieur bei Lishen, China

Es dreht sich alles um die Elektrodenpaste

Wang trägt die Elektrodenpaste vorsichtig auf eine Trägerfolie auf. Sie ist schwarz und leicht dickflüssig. Er verwendet ein Filmziehgerät, um die Schicht möglichst dünn auf der Folie aufzutragen, denn sie soll nicht dicker als 100 Mikrometer sein. Danach geht die getrocknete Elektrode weiter zu Lishen und zu seinem Hauptkontakt Liu, dem zuständigen Ingenieur auf Kundenseite.

Die Zusammenarbeit mit Lishen ist besonders eng. Die zwei Unternehmen arbeiten gut zusammen. Lishen bringt als Auftraggeber das Fachwissen zu Batterien ein, Bühler im Gegenzug Prozesswissen und jahrelange Erfahrung im kontinuierlichen Mischen: einen einzigartigen Mischprozess, der in der Batterieindustrie bisher noch nie zum Einsatz gekommen ist.

Dank dieses kontinuierlichen Mischprozesses kann der Hersteller zu jeder Zeit eingreifen, falls die Ergebnisse nicht den Anforderungen entsprechen. Letztlich zählt, dass sich durch den verbesserten Mischprozess die Batterieleistung deutlich erhöht. Ausserdem sinkt der Investitionsaufwand und auch die Energiekosten liegen deutlich tiefer als bei der herkömmlichen Herstellungsweise. Nicht zuletzt sind Platzbedarf und Ausschuss jetzt deutlich reduziert. Das hat auch Lishen überzeugt. Die Abkehr von der klassischen Chargenverarbeitung der Elektrodenpaste zugunsten eines neuen kontinuierlichen Prozesses rechnet sich für den Kunden. Doch wird es Bühler gelingen, den Prozess rechtzeitig für das neue Werk von Lishen zur Industriereife zu bringen?

Jeder Versuch dauert mehrere Monate. Zunächst entwickeln und validieren Ingenieure von Bühler die optimale Zusammensetzung der Paste auf Basis der Vorgaben von Lishen. Sobald das Team von Bühler mit den Testergebnissen zufrieden ist, stellen sie 50 Liter mit dem neuen Rezept her, die dann an Lishen gehen. Dann übernimmt Liu, derzeit leitender Ingenieur aus der Prozessabteilung von Lishen. Das Team von Lishen nutzt die neue Elektrodenpaste, um Batterieprototypen herzustellen und umfassende Tests durchzuführen. Denn dies ist keine gewöhnliche Elektrodenpaste. Bühler hat den Batterieherstellungsprozess revolutioniert.

Bringt der sechste Testversuch die Lösung?

Wang steht im Analyselabor. Neben vielen anderen Parametern hat er beim nunmehr sechsten Testversuch die Konzentration des Bindemittels weiter angepasst. Die Testergebnisse liegen vor. Er prüft die Viskosität und die Verteilung der Partikel in der Elektrodenpaste sowie die elektrische Leitfähigkeit der Elektrode, die gemeinsam die Leistungs- und Energiedichte der Batterie bestimmen. In den letzten Versuchsreihen hatte ihm gerade die Viskosität der Paste zu schaffen gemacht. Immer neue Rohmaterialien und neue Parametereinstellungen hatten dazu geführt, dass die Paste zu dick wurde und sich nicht optimal einsetzen liess. „Zähflüssig wie Zahnpasta“, erinnert sich Wang.

Doch diesmal überzeugen die Werte den Ingenieur. Die Testergebnisse entsprechen den Anforderungen von Liu. Aber es werden einige Monate vergehen, bis Lishen die Ergebnisse bestätigen wird. Eine lange Wartezeit, bis Wang weiss, ob der Kunde die Durchführung weiterer Versuche wünscht. Die Zeit drängt jedoch, denn die Konkurrenz von Lishen arbeitet ebenfalls an Innovationen und das Verfahren von Bühler ist das erste in einer Reihe von Schritten in der aufwendigen Entwicklung von Batterien.

Verfehlen die Ingenieure von Bühler ihr Ziel, sind der gesamte Herstellungsprozess und die neue Anlage, die Lishen in Suzhou plant, gefährdet. Die Herstellung von Batterien findet in mehreren Phasen statt. Sie beginnt mit der Aufbereitung verschiedener Rohmaterialien, die die Batteriehersteller üblicherweise bei Chemieunternehmen einkaufen. Sie werden in einem Mischprozess zu Anoden- und Kathodenpasten verarbeitet.

An diesem Punkt setzt der innovative kontinuierliche Mischprozess von Bühler an. Lösungen von Bühler kommen aber auch im vorgelagerten Arbeitsschritt zur korrekten Dosierung der Rohmaterialien zum Einsatz. Nach dem Mischvorgang werden die Elektrodenpasten auf Folien aufgetragen. Diese werden dann zugeschnitten und zu Batteriezellen aufgerollt. Im nächsten Schritt laden und entladen die Hersteller die Zellen und sorgen so für die bestmögliche Batterieleistung. Zuletzt erfolgt das Verpacken der Zellen in Batteriesets, die danach in Fahrzeugen verwendet werden. Eine einzelne Elektroautobatterie besteht aus mehreren hundert bis mehreren tausend Batteriezellen.

Mit dieser Bestellung konnten wir in der Industrie ein klares Zeichen setzen: Der neuartige Mischprozess hat die Industriereife erreicht.

JESSE WANG,
Ingenieur bei Bühler

Ein Anruf, der alles entscheidet

Monate später, Wangs Mobiltelefon klingelt. Er nimmt das Gespräch entgegen. Am anderen Ende spricht Liu. Der sonst eher zurückhaltende Projektleiter von Lishen ist begeistert: Die Ergebnisse des sechsten Versuchs überzeugen. Das Problem der Viskosität ist gelöst und die Leistungs- und Energiedichte der Batterien wurde während der Versuchsreihen deutlich gesteigert.

Wang kann es kaum glauben. Er traut den Ergebnissen erst, als er die Tests wiederholt. Wang und das Team haben es tatsächlich geschafft. Die Elektrodenpaste entspricht der geforderten Qualität. Jetzt geht es schnell: Lishen unterschreibt einen Vertrag zur Lieferung einer Pilotanlage an das Werk Tianjin. Es ist August 2014, drei Jahre nach Wangs Einstieg bei Bühler. Die erfolgreichen Versuche, die schliesslich zur Bestellung der ersten Pilotanlage geführt hatten, waren der Beginn einer gemeinsamen Erfolgsgeschichte von Lishen und Bühler. Die beiden Partner vereinbarten die Lieferung von zehn Produktionslinien im industriellen Massstab. Vier sollten im neuen Werk in Suzhou in Betrieb genommen werden, zwei in Tianjin, dem Ort der Pilotanlage, und vier weitere am Standort Qingdao. Gemeinsam erreichen die Linien eine jährliche Leistung von bis zu 10 GW/h. Das ist genug, um jährlich über 200'000 Autobatterien herzustellen.

„Mit dieser Bestellung konnten wir in der Industrie ein klares Zeichen setzen: Der neuartige Mischprozess hat die Industriereife erreicht, die Vorteile zeigen sich direkt im industriellen Umfeld.

Weitere Bestellungen liessen deshalb auch nicht lange auf sich warten. Bereits hat ein anderer Kunde vier Produktionslinien bestellt, und wir sind mit weiteren Kunden in Gesprächen“, erklärt Wang.
An diesem Punkt setzt der innovative kontinuierliche Mischprozess von Bühler an. Lösungen von Bühler kommen aber auch im vorgelagerten Arbeitsschritt zur korrekten Dosierung der Rohmaterialien zum Einsatz. Nach dem Mischvorgang werden die Elektrodenpasten auf Folien aufgetragen. Diese werden dann zugeschnitten und zu Batteriezellen aufgerollt. Im nächsten Schritt laden und entladen die Hersteller die Zellen und sorgen so für die bestmögliche Batterieleistung. Zuletzt erfolgt das Verpacken der Zellen in Batteriesets, die danach in Fahrzeugen verwendet werden. Eine einzelne Elektroautobatterie besteht aus mehreren hundert bis mehreren tausend Batteriezellen.

Ein Meilenstein für die Batterieindustrie

Wang bindet sich seine Krawatte. Es ist der 20. Juli 2017. Heute steht ein historischer Moment bevor: Die feierliche Eröffnung des Lishen-Werks in Suzhou vor hunderten von Zuschauern. Wang hat das Werk schon besucht und weiss, wie beeindruckend es ist: Auf 600 mal 50 Metern umfasst das Werk alle Prozessschritte für Autobatterien, von den Rohmaterialien und der Elektrodenpaste bis zur fertigen Elektroautobatterie. Die gesamte Batterieindustrie wird sich heute Abend versammeln. Vertreter der lokalen und regionalen Regierung werden da sein. Ein grosser Erfolg nach sechs Jahren Laborarbeit.

Es ist dunkel geworden in Suzhou. Das Publikum hält den Atem an und lauscht den Ausführungen von Qin Xingcai, dem Generaldirektor von Lishen. Das Unternehmen plant, mit der neuen Anlage ganz vorne im chinesischen Markt für Batterien dabei zu sein. „In unserem neuen Werk werden Batterien einer neuen Generation hergestellt. Mit einer 30 % höheren Energiedichte haben wir einen Quantensprung erreicht.“ Liu und Wang nicken sich anerkennend zu. Lishen Suzhou würdigt Bühler mit dem Preis als bester Anlagenlieferant. „Sechs Jahre gemeinsame Forschung und Entwicklung haben sich ausgezahlt.

Sechs Jahre starke Zusammenarbeit von Lishen und Bühler in China und der Schweiz. Dieser Preis und zehn Produktionslinien bei Lishen sind der sichtbare Beweis dafür“, erklärt Wang stolz. Und Liu fügt hinzu: „Bühler hielt seine Versprechen. Es ist eine langfristige Partnerschaft, gemeinsam gehen wir neue Projekte an.“ Liu ist mittlerweile zum Leiter der Ingenieursabteilung bei Lishen ernannt worden – nicht zuletzt aufgrund des erfolgreichen Projekts, das er mit Bühler umgesetzt hat, und eines Meilensteins für die Batterieindustrie.

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