Low-cost-Trockenbeschichtung von Batterieelektroden für energieeffiziente und umweltgerechte Produktionsprozesse

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer neuen Trockenbeschichtungstechnologie zur Herstellung von Batterieelektroden. Dies beinhaltet die Entwicklung lösemittelfreier und somit emissionsfreier Beschichtungsverfahren für die Anoden- und Kathodenmaterialien, ferner den Nachweis der Umsetzbarkeit des Verfahrens für die Roll-zu-Rolle-(R2R-)Beschichtung durch Aufbau einer Technikumsanlage und den Nachweis der Tauglichkeit durch die Herstellung und Charakterisierung von großen Vollzellen mit Kapazitäten zwischen 2 und 5 Ah.

Es werden High-Energy-Elektroden entwickelt, deren Flächenbeladung mindestens 4 mAh pro Quadratzentimeter – balanciert auf die Anode – betragen soll. Für diese wird die elektrochemische Charakterisierung erbracht. Das Verfahren eignet sich auch zur Elektrodenherstellung mit noch höheren Flächenbeladungen, die im Projekt aber lediglich mechanisch charakterisiert werden. Die Elektroden sollen ausreichend Leitfähigkeit besitzen, um technisch relevante Performance in großen Vollzellen aufzuweisen.

Das Verfahren basiert auf einer Direktbeschichtung des Kollektors mit Aktivmaterialien und deren Fixierung auf diesem ohne weitere Transferschritte. Das Trockenbeschichtungsverfahren arbeitet ohne jegliche Lösemittel im Prozess. Hierdurch fallen die großen und energieintensiven Trocknerstrecken bei den Beschichtungsanlagen weg. Der Platzbedarf reduziert sich von einer Werkhalle auf einen durchschnittlichen Laborraum. Der Nutzen der neuen Beschichtungstechnologie für die Zellfertigung besteht in einer signifikanten Senkung der Investitions- und Betriebskosten.

Der Schwerpunkt des Teilvorhabens liegt auf der Herstellung von Trockenmischungen als Vorstufe für den Trockenbeschichtungsschritt. Bei trocken beschichteten Elektroden ist vor allem die Adhäsion zwischen Elektrodenschicht und Stromsammler geringer als bei Elektroden, die mittels Nassprozess hergestellt werden. Als trockene Vorbehandlung für die Nassbeschichtungstechnologie sind diverse Prozesse bekannt, welche die genannte Adhäsion maßgeblich erhöhen können. Zu den für die Trockenbeschichtung meistversprechenden Verfahren zählen die sogenannte Vorfibrillation der eingesetzten Bindermoleküle bzw. die Beschichtung der Aktivmaterialien mit einer reinen Binder- oder Binder-Leitfähigkeitsruß-Matrix. Mit Intensiv- oder Hochintensivmischprozessen ist es möglich, die partikulären Binder partiell aufzuschmelzen und den mit im Prozess behandelten weiteren Materialien einzigartige Eigenschaften zu verleihen. Eine reine Binderschicht auf den Aktivmaterialien verleiht der Elektrode eine höhere Festigkeit, wohingegen eine Beschichtung der Aktivmaterialien mit einer Ruß-Binder-Matrix auch die strukturellen Elektrodeneigenschaften (elektrische Leitfähigkeit und Porosität) maßgeblich beeinflusst.

Neben den adhäsiven sind auch die elektrischen Eigenschaften einer Batterieelektrode, die durch Leitfähigkeitsadditive eingestellt werden, maßgeblich entscheidend für die späteren elektrochemischen Leistungen der Batteriezelle. Die trockene Dispergierung der Leitfähigkeitsadditive stellt dabei die größte Herausforderung dar, da es sich um Partikel mit Primärpartikelgrößen im zweistelligen Nanometerbereich handelt. Die demnach sehr großen spezifischen Oberflächen resultieren in hohen attraktiven interpartikulären Wechselwirkungen. Der Dispergierschritt besteht neben der Zerteilung der festen Agglomerat- bzw. Aggregatbrücken auch in der Benetzung der neu geschaffenen Oberflächen. Eine Benetzung mit einer Flüssigphase resultiert dabei in deutlich kleineren Agglomeraten als in Anwesenheit einer gasförmigen Phase. Die neu geschaffenen Oberflächen sollen demnach stabilisiert werden. Die Stabilisierung kann mittels geeigneter Stabilisierungsadditive im unteren einstelligen Massenprozentbereich erfolgen oder durch den geschickten stabilisierenden Einsatz der bereits vorhandenen Bindermoleküle.

Die Auswirkungen der mechanischen Trockenbehandlungsschritte sollen mit den späteren Eigenschaften der Elektroden durch Modelle beschreibbar gemacht werden. Es soll eine intensive Strukturaufklärung mit den hergestellten Elektroden durchgeführt werden. Entscheidende zu charakterisierende Struktureigenschaften sind die adhäsiven sowie kohäsiven mechanischen Integritäten, die elektrische Elektrodenleitfähigkeit sowie die Porenstruktur.

Neben der modellhaften Betrachtung der Elektrodenqualitäten, welche durch die Prozesse induziert sind, sollen auch Kostenauswirkungen der gesamten Prozesskette betrachtet werden. Es sollen die Zusammenhänge zwischen Prozess einerseits und Qualität, Funktion und Eigenschaften der Zellen andererseits in idealer Weise analysiert und dokumentiert werden.

Kerngewinn ist vor allem Wissen, welches die trockene Beschichtung von Batterieelektroden in skalierbaren, Industrienahen Prozessen ermöglicht. Der Maschinen- und Anlagenbau wird kurzfristig in der Lage sein, Maschinen zu entwickeln, die in der Lage sind, Batterierohmaterialien in der Form zu verarbeiten, dass diese maßgeschneidert für den trockenen Schichtaufbau vorliegen. Auch die Beschichtungstechnologie wird im industriellen Maßstab mittelfristig Anlagen entwickeln können, die großtechnische Trockenbeschichtungen von Batterieelektroden ermöglichen.

Produktspezifisch können die erarbeiteten trockenen Beschichtungsverfahren mittelfristig die etablierten nassen Elektrodenherstellungsverfahren auch in der skalenabhängigen Großserienfertigung substituieren. Dadurch ist ein signifikanter Investitions-, Zeit- und finanzieller Gewinn bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batteriezellen möglich, welches den Wettbewerbsstandort Deutschland noch attraktiver gestalten kann.

Langfristig ist eine revolutionäre Einzelkomponentensubstitution in der Batterietechnik durch den Einsatz von Feststoffelektrolyten denkbar, die eine lösungsmittelbasierte Wertschöpfungskette weitestgehend ausschließt.

Neben qualitativ hochwertigen Fahrzeugen mit hochkapazitiv bestückten Batteriezellen steht vor allem auch der notwendige geringe Preis der Speicher im Fokus der Entwicklung. Die Ergebnisse aus LoCoTroP werden direkt nach Abschluss des Projektes Erkenntnisse über die Zusammenhänge von Kosten und Qualität von trocken beschichteten Batterieelektroden generiert haben. Diese Innovation könnte die Batteriezellproduktion stark verändern und sowohl Investitionskosten durch fehlende Trockner und Produktionskosten durch verringerte Prozesszeiten hervorbringen.

Die Projektergebnisse werden in allgemeingültige Erkenntnisse gewandelt und somit eine Verbreiterung dieser praxisnahen, höchst innovativen und aus Forschungssicht besonders interessanten Ergebnisse ermöglichen.

Die wissenschaftlichen Erkenntnisse hinsichtlich des Einflusses der Prozessparameter auf die späteren Eigenschaften der Batteriezellen, insbesondere für die Erstellung der Qualitäts-Kosten-Zusammenhänge, sollen in wissenschaftlichen Publikationen zugänglich gemacht und auf nationalen und internationalen Tagungen vorgestellt werden.

Die Projektergebnisse werden weiterhin in Lehrveranstaltungen integriert. Somit lässt sich die Ausbildung geeigneter Nachwuchswissenschaftler mit dem neuen Stand der Forschung und Entwicklung in der Batteriezelltechnologie gewährleisten. Auch werden an der Erarbeitung der Ergebnisse Studierende mittels wissenschaftlicher Arbeiten sowie unterstützende Hilfswissenschaftler teilhaben.