Die konventionelle lösemittelbasierte Elektrodenfertigung für Lithium-Ionen-Batterien erfordert nach Einschätzung der Wissenschaftler:innen vom Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT einen hohen Ressourcen- und Energieverbrauch. Daher arbeiten die Wissenschaftler:innen an einer lösungsmittelfreien Fertigung der Elektroden.

In der Regel fertigt die Industrie Elektrodenfolien in größerer Menge in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess. In Beschichtungsanlagen wickelt man das auf großen Rollen befindliche Trägermaterial über eine Anzahl von Walzen kontinuierlich ab. Dann beschichtet man es mit Elektrodenmaterial. Dabei trägt man eine Suspension aus Lösungsmittel, Aktivmaterial und einem Binder, der für die Haftung des Materials sorgt, auf eine Metallfolie auf. Anschließend durchläuft die beschichtete Elektrodenfolie einen Trocknungsofen. Schließlich wickelt man es auf eine andere Rolle wieder auf. Diese Anlagen sind sehr groß. Sie können in Abhängigkeit von der Dauer des Trocknungsprozesses bis zu hundert Metern lang sein.

Dieses Produktionsverfahren hat verschiedene Nachteile. Das Herstellen der Suspension dauert sehr lange, das Lösemittel ist umweltschädlich und aufgrund der langen Trocknungszeit in dem Ofen ist der Prozess selbst sehr energieaufwändig.

Elektrodenfertigung für Lithium-Ionen-Batterien mit Trockenbeschichtung

Deswegen setzen die ISIT-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf ein lösungsmittelfreies Trockenbeschichtungsverfahren. Sie erzeugten ein Pulvergemisch aus Aktivmaterial, Leitzusätzen und einem geeigneten Binder. Für einen möglichst gleichmäßigen Auftrag und genau definierte Schichtdicken sorgt ein spezielles Streuverfahren, das dieses Pulvergemisch auf das Trägermaterial aufbringt.

Die Pulverauftragsmenge lässt sich durch die Streuparameter sowie über die Durchlaufgeschwindigkeit der Trägerfolie in der Maschine genau einstellen. Im Prinzip standen die Wissenschaftler:innen vor der gleichen Herausforderung wie ein Konditor, der möglichst gleichmäßig, ohne Klümpchen Puderzucker auf seinem Kuchen verteilen möchte. Anschließend wird in einem kurzen Temperaturprozess das Material auf dem Träger fixiert.

Das neue, vom ISIT patentierte, lösungsmittelfreie Trockenbeschichtungsverfahren für die Elektrodenfertigung für Lithium-Ionen-Batterien ist vielversprechend. Bei vergleichbaren elektrochemischen Eigenschaften zu Elektroden aus etablierter Herstellung, ermöglicht dieses neue Verfahren zukünftig deutlich kompaktere Produktionsanlangen. Zudem sind Primärenergieeinsparungen von bis zu 50 % möglich, da die langen und energieintensiven Trocknungsstrecken bei der Fertigung wegfallen. Sowohl die zeitlichen Einsparungen beim Herstellen der Pulvermischung als auch der durch den Wegfall der Trocknung deutlich reduzierte Energiebedarf bei der Beschichtung bieten optimale Voraussetzungen zur Reduktion von Ressourcen- und Kostenaufwand.

„Die Trockenbeschichtungstechnologie hat das Potential, die Kosten und Emissionen der Elektrodenherstellung gegenüber den heute üblichen Verfahren deutlich zu senken. Der am ISIT entwickelte Prozess leistet damit einen direkten Beitrag zur Entwicklung wirtschaftlicher und umweltfreundlicher Speichertechnologien für mobile und stationäre Anwendungen“, sagt der Leiter des Projektes am Fraunhofer ISIT, Jannes Ophey.

25.5.2022 | Quelle: Fraunhofer ISIT | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH