Energieeffizienter und umweltfreundlicher Herstellungsprozesses für Elektrodenfolien in Lithium-Ionen-Batterien

Motivation

Die konventionelle lösemittelbasierte Elektrodenfertigung liefert sehr gute Ergebnisse, ist aber gekennzeichnet durch einen hohen Ressourcen- und Energieverbrauch. Wie die Produktion kostengünstiger und umweltschonender ablaufen kann, daran arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer ISIT und setzen dabei auf eine lösungsmittelfreie Fertigung der Elektroden. Denn kostengünstige und zugleich umweltfreundliche Produktionsmethoden sind ein Muss für die zukünftige Batteriezellfertigung, um die zahlreichen Anwendungsfelder zu bedienen.

Etabliertes Produktionsverfahren: gut, aber hoher Energie- und Ressourcenverbrauch

In der Regel werden Elektrodenfolien in größerer Menge in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess gefertigt. In Beschichtungsanlagen wird das auf großen Rollen befindliche Trägermaterial über Walzen abgewickelt und kontinuierlich 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 anschließend 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 verschiedene Nachteile: das Herstellen der Suspension dauert sehr lange, das Lösemittel ist für die Kathodenherstellung zumeist umweltschädlich und aufgrund der langen Trocknungszeit in dem Ofen ist der Prozess selbst sehr energieaufwändig.

Trockenbeschichtungsverfahren reduziert Ressourcen- und Kostenaufwand

Deswegen setzen die ISIT-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 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. Anschließend wird in einem kurzen Temperaturprozess das Material auf dem Träger fixiert.

Das neue, vom ISIT patentierte, lösungsmittelfreie Trockenbeschichtungsverfahren ist vielversprechend. Bei vergleichbaren elektrochemischen Eigenschaften zu Elektroden aus etablierter Herstellung, ermöglicht dieses neue Verfahren zukünftig nicht nur deutlich kompaktere Produktionsanlangen, sondern auch Primärenergieeinsparungen von bis zu 50 %, 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.