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.

Um die anvisierten Reduktionen zu erreichen und die Trockenbeschichtungstechnologie zur Herstellung von Batterieelektroden zu realisieren, bündeln drei Institute im Verbundprojekt LoCoTroP ihre Kernkompetenzen auf dem Gebiet der Zellproduktion. Dabei wird die TU Braunschweig (iPAT) das Verfahren zum Trockenmischen der Komponenten entwickeln. Das Applikationsverfahren zur Direktbeschichtung des Kollektors mit Elektrodenmaterialien für Anode und Kathode ohne jegliche Lösemittel wird vom Fraunhofer IPA vorangetrieben und in den Technikumsmaßstab überführt. Die Verifizierung der Elektrodenqualität sowie die Ermittlung von Optimierungsmöglichkeiten durch Detailanpassungen des Elektrodenaufbaus erfolgt durch das Technologiezentrum Energie (TZ Energie) der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Landshut (HAW Landshut).

Folgende Arbeitsschwerpunkte sind wesentlicher Bestandteil zur Realisierung des Trockenbeschichtungsverfahrens:

• Entwicklung der Trockenmischung und Vorfibrillation der Binder

• Entwicklung des Applikationsverfahrens für Anode und Kathode

• Verifizierung der Elektrodenqualität und Ausarbeitung eines Prozess-Qualität-Eigenschaftsmodells

• Überführung des Applikationsverfahrens in den kontinuierlichen R2R-Prozess

• Zellbau und Verfahrensvalidierung

Durch die Zusammenarbeit der Projektpartner werden Einflüsse des vorgelagerten Mischverfahrens und der nachgelagerten Zellherstellung übergreifend analysiert. Auf Basis dieser Ergebnisse wird ein Modell mit tiefergehendem Verständnis für den Einfluss von Fertigungsparametern auf die Zellperformance entwickelt, außerdem werden die Prozess-Qualität-Eigenschaft-Beziehungen abgebildet.

Der vollständige Verzicht auf Lösemittel und die damit verbundene Infrastruktur führt zu einem hochinnovativen Fertigungsprozess für Batterieelektroden, der auch für zukünftige Post-Lithium-Ionen-Systeme anwendbar ist.

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. Dies beinhaltet die Entwicklung lösemittelfreier und emissionsarmer Beschichtungsverfahren für die Anoden- und Kathodenmaterialien, die Umsetzung des Verfahrens für die Roll-to-Roll-(R2R-)Beschichtung durch Aufbau einer Technikumsanlage sowie die Untersuchung der elektrochemischen Performance der trockenbeschichteten Elektroden in Halb- und Vollzellen im direkten Vergleich zu kommerziell produzierten Elektroden.