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

Die Antwort auf die Dominanz des asiatischen Batteriemarktes kann nur die Entwicklung neuer, leistungsstärkerer Zellchemien oder neuartiger, kostengünstiger Produktionstechniken sein.

Im Projekt LoCoTroP wird eine innovative Produktionstechnologie für die Herstellung von Batterieelektroden sowohl anoden- als auch kathodenseitig entwickelt. Hierbei handelt es sich um ein vollständig lösemittelfreies und somit trockenes Herstellungsverfahren. Bei gleichbleibender elektrochemischer Performance resultiert daraus eine signifikante Senkung der Produktionskosten sowohl durch geringere Investitionskosten für die Produktionsanlagen und höhere Durchlaufgeschwindigkeiten als auch durch den Verzicht auf die Lösemittel im Betrieb. Letzteres sowie die erhebliche Energieeinsparung im Prozess durch den Wegfall des Trocknerbetriebes führen zu einer beachtlichen Einsparung von Ressourcen in der Zellproduktion, zur Verringerung der Umweltbelastungen und zu vereinfachten umweltrechtlichen Genehmigungsverfahren für Batteriefabriken. Darüber hinaus reduziert sich der Platzbedarf einer Beschichtungsanlage durch den Wegfall großer und energieintensiver Trocknerstrecken von einer Werkshalle auf einen durchschnittlichen Laborraum.

Die Ergebnisse aus dem Projekt LoCoTroP bilden somit die Grundlage und die Chance einer Preisreduktion von Lithium-Ionen-Batterien durch eine signifikante Senkung von Investitions- und Betriebskosten in der Zellfertigung.

Am Fraunhofer IPA erfolgt die Entwicklung, die technische Umsetzung und die Herstellung von lösemittelfreien, trockenbeschichteten, Graphit-basierten Anoden und NMC-basierten Kathoden für Lithium-Ionen-Batterien. Hierfür werden die im Teilprojekt 3 (TU Braunschweig) hergestellten Funktionspulvermischungen direkt auf den jeweiligen Stromkollektor elektrostatisch transferiert und die Adhäsion durch eine thermomechanische Nachbehandlung erhöht. Ebenso wird eine weitere Haftungsverbesserung durch den Einsatz von Plasma erprobt. Diese Entwicklungen erfolgen für die Anode und Kathode im Labormaßstab zunächst separat. Dieses ist notwendig, da sich die Eigenschaften der Aktivmaterialien in der Funktionsmischung stark unterscheiden und somit das Transferverhalten.

Herausforderungen stellen u. a. die breite Partikelgrößenverteilung sowie erhebliche Unterschiede in der Materialdichten dar. Ebenso sollen die durch den Mischprozess eingebrachten, optimierten Strukturelemente erhalten bleiben und die Funktionalität der Elektrode positiv beeinflussen. Die elektrochemische Performance der Elektroden wird im Teilprojekt 1 (HAW Landshut) ermittelt. Die dort erzeugten Ergebnisse fließen in die Prozessoptimierung sowie das Prozess-Eigenschafts-Modell ein.

Die Entwicklungen der Anodenbeschichtung im Labormaßstab sollen anschließend in einen Rolle-zu-Rolle Prozess übertragen und in diesem weiter optimiert werden. Neben der Herstellung der Elektrode werden Prozessparameter erfasst. Diese dienen als Grundlage für die Erstellung und Analyse von Prozess-Eigenschaftsbeziehungen sowie der Modellerstellung der Qualitäts- und Kostenfunktion. Darüber hinaus soll ein theoretischer Vergleich zur suspensionsbasierten Herstellung gezogen werden. Die Elektrodenbänder werden innerhalb des Teilprojekts 1 (HAW Landshut) u. a. zu Vollzellen mit einer Kapazität von 2 bis 5 Ah verbaut und charakterisiert.

Die Verfügbarkeit von hochleistungsfähigen Lithium-Ionen-Sekundärbatterien wird in Zukunft eine immer größere Rolle in der technischen Entwicklung von elektrochemischen Energiespeichern darstellen. Maßgebliche Beweggründe sind dabei der angestrebte teilweise oder vollständige Ersatz fossiler Brennstoffe bzw. der Einsatz von Batterien zur Zwischenspeicherung von erneuerbaren Energien und der damit verbundenen Elektrifizierung des Mobilitätssektors. Die ambitionierte Haltung der Bundesregierung, die im Jahre 2030 bereits sechs Millionen Elektroautos in Deutschland vorsieht, wird nur dann realisierbar sein, wenn der Batteriepreis deutlich sinkt. Bei der Herstellung der Komponenten einer Lithium-Ionen-Batterie wird das teure Material bereits in den ersten Prozessschritten in die lange Wertschöpfungskette eingebracht. Dadurch ist es notwendig, jeden einzelnen Prozessschritt zu optimieren um eine hohe Effizienz zu erreichen, aus der eine Kostenreduktion resultieren kann. Besonders der Beschichtungs- und der daran gekoppelte Trocknungsschritt weisen ein hohes Einsparpotenzial auf.

Bisher im Stand der Technik verwendete flüssige Beschichtungssuspensionen, im Wesentlichen bestehend aus elektrochemisch aktivem Funktionsmaterial, Bindemittel, Leitadditiven und Lösemitteln, erfordern eine energieintensive Trocknung und setzen gesundheits- und umweltgefährdende, oft hochsiedende Lösemittel frei. Das bei Lithium-Ionen-Sekundärbatterien meist eingesetzte N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) ist inzwischen in der REACH-Verordnung als besonders besorgniserregend sowie fortpflanzungsgefährdend eingestuft. Dieses hochsiedende Lösemittel muss bei der Elektrodenherstellung nach der Applikation der Batteriesuspension in einem aufwändigen Trocknungsprozess entfernt und danach aufgrund seiner Schädlichkeit, beispielsweise mittels der Rekondensationstechnik, rückgewonnen werden. Beim Einsatz von wässrigen Systemen als umweltfreundliche Alternative ist das Verdunsten des Wassers ebenfalls mit hohen Energiekosten verbunden. Selbst geringste Mengen an Restfeuchte müssen aus den Poren der Elektroden entfernt werden, um die elektrochemische Performance der Batterie nicht zu reduzieren.

Aus diesem Grund wurde am Fraunhofer IPA eine neue Beschichtungstechnologie entwickelt, die vollständig auf den Einsatz von Flüssigkeiten verzichtet und somit auch eine interessante Alternative in der Herstellung von Festkörperbatterien bietet.