Eine Infografik zeigt die Position von Batterien in einem Elektrofahrzeug

3. Sept. 202410 min Lesezeit

Unsichtbare Helden der Verkehrswende: Wie Pumpen und Armaturen nachhaltige Mobilität ermöglichen

Wiederaufladbare Batterien sind entscheidend für den Wechsel zu einer CO₂-armen Elektromobilität. Was viele nicht wissen: Pumpen und Armaturen spielen eine Schlüsselrolle bei der Produktion von Batterien für E-Autos.

Ein Säulendiagramm zeigt die aktuelle und zukünftige Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien

Die Nachfrage nach E-Autos steigt – und mit ihr der Bedarf an Batterien

Die Zukunft der Mobilität ist elektrisch: Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) wuchs der Absatz von E-Autos allein vom ersten Quartal 2023 zum ersten Quartal 2024 um rund 25 Prozent. Für das Jahr 2024 erwartet die Organisation, dass in China bis zu 45 Prozent, in Europa 25 Prozent und in den Vereinigten Staaten über 11 Prozent der neu zugelassenen Pkws mit Strom fahren. Und dieser Trend wird sich je nach Szenario bis 2025 um das Sieben- bis Zwölffache verstärken. Dieser Anstieg führt auch dazu, dass die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien steigt. Von 2022 bis 2023 stieg sie zum Beispiel um 40 Prozent auf mehr als 750 Gigawattstunden (GWh). Nach Schätzungen von McKinsey wird der Bedarf in Zukunft um 27 Prozent pro Jahr wachsen und bis 2040 etwa 4700 GWh erreichen. Spezialisierte Pumpen und Armaturen tragen zu diesem Erfolg der Verkehrswende bei.

Pumpen und Armaturen sind entscheidend für die Herstellung von Batterien

Für die Produktion der Batterien von Elektroautos ist eine komplexe, über den ganzen Globus verteilte Produktionskette notwendig – und Pumpen und Armaturen sind fast an jedem Schritt der Produktionskette beteiligt.

Die Produktionskette beginnt mit dem Abbau von Rohstoffen wie Lithium, Kobalt, Mangan, Nickel und Grafit. Dies sind die aktiven Materialien (Battery Active Materials, BAM), welche durch ihre elektrochemischen Eigenschaften das Speichern von Energie ermöglichen. Der wichtigste dieser Rohstoffe ist Lithium, das bei der Lithium-Raffinierung isoliert und gereinigt wird. Parallel dazu erfolgt die Herstellung der Kathodenmaterialien, die durch ihre Fähigkeit, Lithium-Ionen aufzunehmen und abzugeben, das Laden und Entladen der Batterie ermöglichen. Gleichzeitig findet die Produktion des Elektrolyten statt, der Flüssigkeit, welche die Beweglichkeit von Lithium-Ionen möglich macht. Der nächste Schritt ist die Kathodenherstellung. Bei der Montage und dem Befüllen der Batteriezellen werden aus den Elektroden- und Elektrolytmaterialien Zellen hergestellt. Diese können in Serie und parallel geschaltet werden, um die gewünschte Spannung zu erreichen. Nach dem Ende des Lebenszyklus der Batterie kann der überwiegende Teil der Rohstoffe durch Recycling zurückgewonnen und wiederverwendet werden.

Wie tragen Pumpen und Armaturen zur Produktion von Batterien bei? Die Zahlen in der Infografik oben markieren Stellen, bei denen Pumpen und Armaturen eine tragende Rolle spielen. Sehen wir uns diese genauer an.

1. Abbau von Rohstoffen: Verschleißarme Feststoffpumpen fördern abrasive Solen und Schlämme

Zunächst fördern Rohstoffunternehmen die aktiven Materialien (Battery Active Materials, BAM) der Batterie: Lithium, Mangan, Nickel, Kobalt und Grafit. Meist gewinnen sie diese im Tagebau. Noch am Ort des Abbaus konzentrieren sie die Rohstoffe für den Transport. Dafür nutzen sie unterschiedliche Verfahren: Bei der Flotation beispielsweise werden die Erze gemahlen und mit Wasser vermischt. Eingeleitete Luft lässt dann die Metallpartikel als Schaum aufschwimmen. Häufig gewinnen Abbauunternehmen Lithium auch aus Solen, salzhaltigen Lösungen, die sich beispielsweise unter ausgetrockneten Salzseen in Südamerika finden. Diese konzentrieren sie in großen Becken, in denen das Wasser durch die Hitze der Sonne verdunstet. Ob als Erz oder als Sole – für den Abbau der aktiven Materialien benötigen die Unternehmen Pumpen, die beständig gegen abrasive Feststoffe und korrosive Salze sind. Die LCC-M zum Beispiel ist eine hocheffiziente Feststoffpumpe mit hervorragenden Verschleißeigenschaften. Gehäuse, Laufrad und Ansaugdeckel sind aus weißem Gusseisen mit hohem Chromanteil gefertigt. Die Pumpe kann für Wartungs- und Inspektionsarbeiten leicht demontiert und wieder zusammengebaut werden. Bei Bedarf liefert KSB sie mit Polypropylen- oder Butyl-Gummi ausgekleidet.

2. Lithium-Raffinierung: Hermetisch dichte Chemiepumpen für heiße und aggressive Lösungen

Unter den aktiven Materialien ist Lithium das wichtigste. Lithium-Raffinerien trennen es von anderen Substanzen wie Calcium oder Magnesium, um es für die Batterieproduktion nutzbar zu machen. Dafür erhitzen sie das aus dem Bergbau stammende Konzentrat und vermischen es mit Schwefelsäure, um Lithium herauszulösen. Stammt das Konzentrat aus Sole, führen sie Soda hinzu, um Lithiumverbindungen als weiße Flocken auszufällen. Ein weiteres Verfahren verwendet die Firma Vulcan, die heiße Sole aus 3000 bis 5000 Metern Tiefe unter dem Rheingraben fördert: Sie zerlegt das Salz in der Sole durch Elektrolyse in Lithium und Chlor. Als Endprodukte dieser Prozesse entstehen Lithiumkarbonat, Lithiumhydroxid oder metallisches Lithium. Allen Verfahren ist gemeinsam, dass sie extreme Anforderungen an Pumpen und Armaturen stellen, da sie mit korrosiven, abrasiven und oft heißen Lösungen arbeiten. In der Regel werden daher kunststoffausgekleidete Armaturen und Pumpen benötigt, die beständig gegen Chemikalien sind. Ein Beispiel für eine geeignete Pumpe ist die Chemienormpumpe Magnochem von KSB. Diese nutzt eine Magnetkupplung, die das Drehmoment kontaktlos durch das Gehäuse auf die Welle überträgt. Dadurch sind keine Dichtungen notwendig, an denen Leckagen auftreten könnten, was die Pumpe besonders für die Förderung von giftigen und ätzenden Flüssigkeiten geeignet macht. Zudem hält das Aggregat Temperaturen bis zu 400 °C stand.

3. Herstellung des Kathodenmaterials: Höchste Reinheit für optimale Performance

Die Kathode, der positive Pol, ist das wichtigste Bauteil einer Batterie. Sie nimmt während des Ladevorgangs Lithium-Ionen auf und gibt sie während der Entladung ab, wodurch der Stromfluss ermöglicht wird. Diese Fähigkeiten geben ihr die besonderen Materialien, aus denen sie gefertigt sind: Metallmischoxide wie Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid oder Lithium-Eisen-Phosphat, die Kristalle bilden. In die Zwischenräume dieser kristallinen Strukturen können Lithium-Ionen ein- und auswandern. Ein wichtiger Schritt ist die Herstellung von Vorstufen dieser kristallinen Mischoxide, die im Branchenjargon precursory Cathode Active Materials (pCAM) genannt werden. Diese spielen eine entscheidende Rolle für Kapazität, Zyklenstabilität und Sicherheit der Batterie. Pumpen, die diese chemischen Prozesse regeln, müssen daher extrem hohe Reinheitsstandards einhalten, da selbst geringste Verunreinigungen die spätere Leistungsfähigkeit der Batterien erheblich beeinflussen können. So dürfen sie keine Stoffe wie Blei, Kupfer oder Gold enthalten, da diese die elektrochemischen Eigenschaften der pCAMs verändern können. Daher nutzt KSB bei der Herstellung von Pumpen wie der KWP für diese Prozesse Sonderwerkstoffe. Pumpen und Armaturen steuern auch zahlreiche Hilfsprozesse bei der pCAM-Produktion. Zum Beispiel stellt die MegaCPK Heißwasser und Kühlwasser bereit und die hermetisch dichte Magnetkupplungspumpe Magnochem fördert giftige Stoffe sicher.

4. Elektrolytherstellung: Armaturen sorgen für genaue Dosierungen von Lösungsmitteln und Salzen

Lithium-Batterien sind mit einer Flüssigkeit gefüllt, welche die Bewegung von Lithium-Ionen zwischen der positiven Kathode und der negativen Anode ermöglicht. Diese Flüssigkeit, Elektrolyt genannt, besteht typischerweise aus einem Lösungsmittel und einem Lithiumsalz wie Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6). In Chemieunternehmen regeln Pumpen und Armaturen beim Herstellen des Elektrolyten den Transport von den Vorratsbehältern zu den Mischtanks. Präzision ist hier entscheidend, denn die Bestandteile müssen genau dosiert sein, um eine gleichmäßige und effektive Batterieleistung zu gewährleisten. Zudem müssen die Geräte sicher gegen Leckagen und beständig gegen aggressive Substanzen sein. Denn LiPF6 kann mit Feuchtigkeit reagieren und hochgiftige und aggressive Flusssäure (HF) bilden, wenn es austritt. Zudem sind die organischen Lösungsmittel brennbar. Geeignete Pumpen sind hier die MegaCPK und die hermetisch dichte Magnochem. Ein Beispiel für eine passende Armatur ist das Membranventil SISTO-20, das mit Polytetrafluorethylen (PTFE) ausgekleidet ist. PTFE ist resistent gegenüber starken Säuren, Basen, Lösungsmitteln und Oxidationsmitteln. Zudem hat es einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten. So können die Ventile leicht betätigt werden, was genaue Dosierung vereinfacht.

5. Kathodenherstellung: Optimale Verteilung von Hitze durch Wärmeträgerölpumpen

Zulieferer der Batteriehersteller fertigen die Kathoden. Dazu tragen Beschichtungsanlagen das Kathodenmaterial auf Aluminiumfolie auf, die von großen Walzen abgewickelt wird. Dann schicken sie die Kathodenfolie durch einen etwa 200 °C heißen Trocknungsofen und wickeln sie anschließend auf eine neue Rolle wieder auf. Diese Anlagen können bis zu hundert Metern lang sein. Die enorme Länge ist notwendig, um eine ausreichende Trocknungszeit zu gewährleisten. Für die optimale Verteilung der Hitze in diesen großen Anlagen sorgt Wärmeträgeröl, das durch Pumpen ständig umgewälzt wird. Die KSB-Pumpe Etanorm SYT zum Beispiel zeichnet sich durch beständiges Design für mineralische und synthetische Wärmeträgeröle bis 350 °C aus. Die Batteriehersteller schneiden schließlich aus der Folie die Kathoden aus und fertigen die Batteriezellen. Auch sie benötigen Pumpen und Armaturen, welche die Infrastruktur für die Lagerung und den Transport des Elektrolyten zur Fertigung regeln. Nachdem die Zellen befüllt und versiegelt sind, werden sie einmal geladen, um ihre elektrochemischen Eigenschaften zu optimieren und etwaige Defekte zu erkennen. Nachdem sie einige Tage bis Wochen gelagert wurden, wird eine Qualitätskontrolle durchgeführt – und sie werden in die fertige Batterie eingesetzt.