Technologie

Trockene Elektroden für günstige Batterien

11.06.2019 - Neues Produktionsverfahren macht giftige Lösungsmittel überflüssig.

Bessere und günstigere Produktions­methoden für Energiespeicher sind gerade auch in Deutschland zunehmend gefragt: Alle großen Automobil­hersteller haben ehrgeizige Elektrofahr­zeugprogramme aufgelegt, die für eine stark steigende Batterie­nachfrage sorgen werden. Bisher kaufen die deutschen Unternehmen die Zellen dafür in Asien ein. Das hat vor allem zwei Gründe: Asiatische Technologie­konzerne verfügen über jahrzehnte­lange Erfahrungen in der Massen­produktion von Batterie­zellen und in diesen Prozessen wird viel Energie verbraucht. Das macht die Fertigung an Standorten mit hohen Strompreisen wie Deutschland kosten­intensiv.

Diese Situation wollen Ingenieure vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahl­technik IWS in Dresden ändern. „Unser Transfer­verfahren zur Trocken­beschichtung zielt darauf ab, die Prozesskosten in der Elektroden­beschichtung spürbar zu reduzieren“, sagt Benjamin Schumm. „Die Hersteller können dadurch auf giftige und teure Lösungs­mittel verzichten und Energiekosten bei der Trocknung sparen. Außerdem lassen sich mit unserer Technologie auch Elektroden­materialien verwenden, die sich nasschemisch kaum oder gar nicht verarbeiten lassen.“ Eben diese Werkstoffe werden aber für künftige Batterien mit höherer Energiedichte benötigt. „Wir denken aus all diesen Gründen, dass unsere Techno­logie dabei helfen kann, eine international wettbewerbs­fähige Batteriezell­produktion in Deutschland und Europa möglich zu machen“, sagt Schumm.

Dieses Potenzial sehen auch die skandi­navischen Partner der Fraunhofer-Forscher: Das finnische Batterie­unternehmen „BroadBit Batteries“ hat in seiner Fabrik in Espoo gemeinsam mit dem IWS eine Pilotanlage in Betrieb genommen, die Elektroden im Trockenfilm­verfahren beschichtet statt mit feuchten Pasten, wie bisher in der Industrie üblich. Die Finnen stellen damit neuartige Natrium-Ionen-Batterien her. „Die Nachfrage für unsere Tech­nologie ist groß, auch in Deutschland“, sagt Schumm. Im Labormaßstab kann das IWS Elektroden­folien bereits konti­nuierlich mit mehreren Metern pro Minute beschichten und kann somit das Potential für die Aufskalierung in den Produktions­maßstab demonstrieren.

Bisher beschichten Zellproduzenten ihre Batterie­elektroden meist in einem aufwendigen nass­chemischen Verfahren. Zunächst mischen sie die Aktiv­materialien, die später die gespeicherte Energie freisetzen sollen, mit speziellen Zusatzstoffen zu einer Paste. Dabei setzen sie organische Lösungsmittel zu, die teuer und meist giftig sind. Um die Fabrikarbeiter und die Umwelt zu schützen, sind hier aufwendige Vorkehrungen für Arbeitsschutz und Wieder­aufbereitung notwendig. Ist die Paste auf dünne Metallfolien aufgestrichen, beginnt ein weiterer teurer Prozess­schritt: Dutzende Meter lange Heizstrecken trocknen die beschichteten Folien, bevor sie weiter­verarbeitet werden können. Das Trocknen verursacht in aller Regel hohe Stromkosten.

Das neue Transfer­verfahren zur Trocken­beschichtung kommt dagegen ohne diese ökologisch bedenklichen und teuren Prozess­schritte aus: Die Ingenieure mischen ihr Aktivmaterial mit bindenden Polymeren. Dieses Trockengemisch verarbeiten sie in einer Kalander genannten Walzanlage. Die Scherkräfte in diesem Rollensystem reißen aus den Binder­polymeren ganze Molekülketten heraus. Diese Fibrillen verbinden sich mit den Elektroden­partikeln wie in einem Spinnennetz. Dies verleiht den Elektroden­materialien Stabilität. Dabei entsteht ein flexibler Elektrodenfilm. Diese rund hundert Mikrometer dicke Elektroden­schicht laminiert der Kalander direkt auf eine Aluminiumfolie.

„Auf diese Weise können wir auch Materalien für neue Batterie­generationen verarbeiten, bei denen die klassischen Verfahren versagen“, sagt Schumm. Dazu zählen zum Beispiel Energiespeicher, die Schwefel als Aktivmaterial nutzen oder Festkörper­batterien, die statt brennbaren Flüssigelektrolyten ionenleitende Feststoffe einsetzen. „Diese Batterien werden mehr Energie im gleichen Volumen speichern können als heutige Lithium-Ionen-Batterien“, sagt der Forscher mit Blick auf die Zukunft. Diese Fest­elektrolyte können jedoch im Kontakt zu Lösungsmitteln ihre Funktion verlieren. Um diese Speicher herzustellen, eignet sich daher ein lösemittel­freies Beschichtungs­verfahren deutlich besser. Einen Meilenstein zur Herstellung von Festkörper­batterien haben die Dresdner Forscher bereits erreicht: Sie machten es möglich, Elektroden mittels Trockenfilm­verfahren mit extrem niedrigen Binder­gehalten herzustellen. 

Die Dresdner Ingenieure wollen ihre Tech­nologie nun gemeinsam mit Industrie­partnern verfeinern, um ihr zum Durchbruch zu verhelfen. Im vom BMBF geförderten M-era.Net-Projekt „DryProTex“ entwickeln sie das trockene Transfer­verfahren zur Elektroden­beschichtung zusammen mit den Firmen Saueressig, INDEV, Netzsch Trockenmahl­technik und BroadBit Batteries weiter. Die Partner rechnen mit einem grund­legenden Wandel in der Batterieproduktion: „Das Verfahren hat das Potenzial, auf lange Sicht die herkömmlichen Prozesse zur pasten­basierten Elektroden­herstellung zu verdrängen“, ist Schumm überzeugt. Im Projekt DryProTex werden Material-, Prozess- und Anlagen­entwicklungen vorangetrieben, die eine Prozess­auslegung zur trockenen Elektroden­herstellung im industriellen Maßstab ermög­lichen sollen.

Fh.-IWS / JOL

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