Die Forscher am Fraunhofer IWS haben die Elektroden der Energiespeicherzellen mit einem trockenen Film statt mit flüssigen Chemikalien beschichtet. Das spart Energiekosten und macht giftige Lösungsmittel in diesem Prozessschritt überflüssig. Ein finnisches Unternehmen erprobt die neue IWS-Technologie bereits erfolgreich in der Praxis. Deutsche Automobilhersteller haben eine stark steigende Nachfrage nach Batterien für ihre Elektroautos. Bisher haben sie die Zellen dafür in Asien eingekauft.
Keine giftigen Lösungsmittel mehr – Stromkosten sinken
„Unser Transferverfahren zur Trockenbeschichtung zielt darauf ab, die Prozesskosten in der Elektrodenbeschichtung spürbar zu reduzieren“, betont IWS-Projektleiter Dr. 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.“
Pilotanlage erfolgreich in Finnland gestartet
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.
Grenzen der klassischen Nasschemie
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.
Bindemoleküle formen ein Spinnennetz
Das neue Transferverfahren zur Trockenbeschichtung kommt dagegen ohne diese ökologisch bedenklichen und teuren Prozessschritte aus: Die IWS-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 100 Mikrometer dicke Elektrodenschicht laminiert der Kalander direkt auf eine Aluminiumfolie – und so entsteht die Batterieelektrode.
Auf dem Weg zur feuerfesten Festkörperbatterie
„Auf diese Weise können wir auch Materalien für neue Batteriegenerationen verarbeiten, bei denen die klassischen Verfahren versagen“, schätzt Benjamin Schumm ein. Dazu zählen zum Beispiel Energiespeicher, die Schwefel als Aktivmaterial nutzen oder sogenannte 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 IWS-Wissenschaftler 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. Dies ist in ihrem aktuellen Fachartikel nachzulesen.
Verfahren könnte klassische Pastenprozesse verdrängen
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“ (FKZ 02P17E010) beispielsweise 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 Benjamin Schumm überzeugt. Im Projekt DryProTex werden Material-, Prozess- und Anlagenentwicklungen vorangetrieben, die eine Prozessauslegung zur trockenen Elektrodenherstellung im industriellen Maßstab ermöglichen sollen
Mehr über die Batterie der Zukunft erfahren: Zwei Tage, zwei Workshops! Das Fraunhofer IWS veranstaltet am 18. und 19. November 2019 die „Carbon Electrode Materials“ und die „Lithium-Metal-Anodes: Processing and Integration in Next-Generation Batteries“ in Dresden. Mehr Informationen demnächst auf: http://s.fhg.de/iws-veranstaltungen
Keine giftigen Lösungsmittel mehr – Stromkosten sinken
„Unser Transferverfahren zur Trockenbeschichtung zielt darauf ab, die Prozesskosten in der Elektrodenbeschichtung spürbar zu reduzieren“, betont IWS-Projektleiter Dr. 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.“
Pilotanlage erfolgreich in Finnland gestartet
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.
Grenzen der klassischen Nasschemie
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.
Bindemoleküle formen ein Spinnennetz
Das neue Transferverfahren zur Trockenbeschichtung kommt dagegen ohne diese ökologisch bedenklichen und teuren Prozessschritte aus: Die IWS-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 100 Mikrometer dicke Elektrodenschicht laminiert der Kalander direkt auf eine Aluminiumfolie – und so entsteht die Batterieelektrode.
Auf dem Weg zur feuerfesten Festkörperbatterie
„Auf diese Weise können wir auch Materalien für neue Batteriegenerationen verarbeiten, bei denen die klassischen Verfahren versagen“, schätzt Benjamin Schumm ein. Dazu zählen zum Beispiel Energiespeicher, die Schwefel als Aktivmaterial nutzen oder sogenannte 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 IWS-Wissenschaftler 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. Dies ist in ihrem aktuellen Fachartikel nachzulesen.
Verfahren könnte klassische Pastenprozesse verdrängen
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“ (FKZ 02P17E010) beispielsweise 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 Benjamin Schumm überzeugt. Im Projekt DryProTex werden Material-, Prozess- und Anlagenentwicklungen vorangetrieben, die eine Prozessauslegung zur trockenen Elektrodenherstellung im industriellen Maßstab ermöglichen sollen
Mehr über die Batterie der Zukunft erfahren: Zwei Tage, zwei Workshops! Das Fraunhofer IWS veranstaltet am 18. und 19. November 2019 die „Carbon Electrode Materials“ und die „Lithium-Metal-Anodes: Processing and Integration in Next-Generation Batteries“ in Dresden. Mehr Informationen demnächst auf: http://s.fhg.de/iws-veranstaltungen
