Kostensenkung Batterien: Fraunhofer ISIT entwickelt neues Verfahren zur Herstellung von Elektrodenfolien

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Itzehoe – Die Herstellung von Elektrodenfolien für Batterien erfolgt derzeit noch unter Einsatz von umweltschädlichen Lösungsmitteln, der integrierte Trocknungsprozess ist energie- und kostenintensiv. Doch das soll sich schon bald mit einem patentierten Verfahren ändern.

Forschende am Fraunhofer ISIT entwickeln einen energieeffizienten und umweltfreundlichen Herstellungsprozess für Elektrodenfolien in Lithium-Polymer Akkus. Eingesetzt wird ein lösungsmittelfreies Trockenbeschichtungsverfahren, das gleich mehrere Vorteile aufweist.

Stand der Technik: lösungsbasierte Elektrodenfertigung
Die konventionelle lösemittelbasierte Fertigung von Elektroden liefert sehr gute Ergebnisse, ist aber gekennzeichnet durch einen hohen Ressourcen- und Energieverbrauch. Elektrodenfolien werden in größerer Menge vor allem in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess hergestellt. In Beschichtungsanlagen wird das auf großen Rollen befindliche Trägermaterial über eine Anzahl von Walzen kontinuierlich abgewickelt und mit dem Elektrodenmaterial beschichtet.

Dabei wird eine Suspension aus Lösungsmittel, Aktivmaterial und einem Binder, der für die Haftung des Materials sorgt, auf eine Metallfolie aufgetragen. Anschließend durchläuft die beschichtete Elektrodenfolie einen Trocknungsofen und wird schließlich auf eine andere Rolle wieder aufgewickelt. Diese Anlagen sind sehr groß; sie können in Abhängigkeit von der Dauer des Trocknungsprozesses bis zu hundert Metern lang sein.

Dieses Produktionsverfahren hat aber 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.
Zukunft: lösungsmittelfreies Trockenbeschichtungsverfahren
Die ISIT-Forschenden setzen im Unterschied zum bisherigen Prozess auf ein lösungsmittelfreies Trockenbeschichtungsverfahren. Sie erzeugten ein Pulvergemisch aus Aktivmaterial, Leitzusätzen und einem geeigneten Binder. Um einen möglichst gleichmäßigen Auftrag und genau definierte Schichtdicken zu erzeugen, wird dieses Pulvergemisch über ein spezielles Streuverfahren auf das Trägermaterial gebracht.

Die Pulverauftragsmenge lässt sich durch die Streuparameter sowie über die Durchlaufgeschwindigkeit der Trägerfolie in der Maschine genau einstellen, so das ISIT weiter. Im Prinzip standen die Forschenden 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 zur Herstellung von Li-Ionen-Batterieelektroden ist vielversprechend und ermöglicht vergleichbare elektrochemische Eigenschaften zu Elektroden aus etablierter Herstellung. Das neue Verfahren ermöglich zukünftig aber auch deutlich kompaktere Produktionsanlangen und Primärenergieeinsparungen von bis zu 50 Prozent. Grund ist der Wegfall der langen und energieintensiven Trocknungsstrecken. 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“, resümiert der Leiter des Projektes am Fraunhofer ISIT, Jannes Ophey.