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

Im Projekt LoCoTroP erfolgt die Entwicklung einer innovativen Produktionstechnologie von Batterieelektroden mit einem Trockenbeschichtungsverfahren. 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 Lösungsmittel im Betrieb. Letzteres sowie die erhebliche Energieeinsparung im Prozess durch Wegfall des Trocknerbetriebes in Höhe von mehr als 50 Prozent führt zu einer beachtlichen Einsparung von Ressourcen in der Zellproduktion, zur Verringerung der Umweltbelastungen und zu vereinfachten umweltrechtlichen Genehmigungsverfahren für Batteriefabriken. Zudem reduziert sich der Platzbedarf einer Beschichtungsanlage durch die Abschaffung großer und energieintensiver Trocknerstrecken von einer Werkhalle auf einen durchschnittlichen Laborraum. Letztendlich besteht der Nutzen der neuen Beschichtungstechnologie in einer signifikanten Senkung der Investitions- und Betriebskosten für die Zellfertigung sowie die damit verbundene Chance auf eine Preisreduktion von Lithium-Ionen-Sekundärbatterien, um die angestrebten Ziele der Bundesregierung bis 2030 erreichen zu können.

Das TZ Energie der HAW Landshut validiert im Teilprojekt die Elektrodenqualität und ermittelt Optimierungsmöglichkeiten durch Detailanpassungen des Elektrodenaufbaus. Dazu werden zunächst die vom Konsortium gefertigten Elektroden in Halbzellen (T-Zellen) gegen Lithium elektrochemisch charakterisiert, um Rückschlüsse auf die Prozess-Qualität und -Eigenschaften ziehen zu können. Dadurch können wichtige Prozessparamater identifiziert und in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern für das neue Verfahren optimiert werden. Zur Validierung der Trockenbeschichtungsmethode werden die gefertigten Elektroden ebenfalls in großformatigen Vollzellen mit einer Kapazität von 2 bis 5 Ah verbaut, elektrochemisch charakterisiert und mit standardmäßig hergestellten Elektroden referenziert. Darüber hinaus werden Modelle zur Qualitäts- und Kostenfunktionen des neuen Trockenbeschichtungsverfahrens erstellt. Auf der einen Seite werden prozess- und produktrelevante Parameter in enger Zusammenarbeit mit den Projektpartnern identifiziert und diese in Kombination mit unterschiedlichen Analysenmethoden analysiert. Das Ziel dieser teilstatistischen Untersuchung ist die Identifikation der wichtigsten Eigenschaftsbeziehungen zwischen dem Herstellungsverfahren und der finalen Elektroden- bzw. Batterieperformance.

Auf der anderen Seite wird das Trockenbeschichtungsverfahren in einem Kostenmodell für eine Batteriefabrik mit einer Stückzahl von einer Million Zellen pro Jahr untersucht. Eine finanzielle Abbildung der Zellherstellung von Material- und Rohstoffkosten bis hin zu den Investitionskosten und Energieeinträgen bei der Zellherstellung für solch eine Fabrik ermöglicht eine Aussage über die ökonomische und ökologische Bewertung des neuen Beschichtungsverfahrens.

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 umgesetzt werden können, wenn die Batterien im Preis deutlich sinken. Bei der Herstellung der Komponenten einer Lithium-Ionen-Batterie wird das teure Material bereits in den ersten Prozessschritten in die lange Wertschöpfungskette eingebracht. Nur durch die Optimierung jedes einzelnen Prozessschrittes kann eine hohe und dadurch kostensparende Effizienz erreicht werden. 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, Binderanteilen, 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 noch entfernt werden, um die elektrochemische Performance der Batterie nicht zu vermindern.

Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer innovativen, umweltfreundlichen und kostenreduzierenden Trockenbeschichtungstechnologie zur Herstellung von Batterieelektroden. Dabei übernimmt das Technologiezentrum Energie (TZ Energie) der Hochschule für angewandte Wissenschaften Landshut (HAW Landshut) die Projektkoordination des Verbundprojekts LoCoTroP und ist für die elektrochemische Validierung und die Integration der trockenbeschichteten Elektroden in den Zellfertigungsprozess verantwortlich.