Entwicklung von epoxid-basierten Bindern auf Basis nachwachsender Rohstoffe für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien sind aus dem täglichen Gebrauch kaum wegzudenken und dienen in vielen Bereichen als Energiespeicher. Gerade für Anwendungen in der Elektromobilität spielt nach dem derzeitigen Stand der Technik die Erhöhung der Energie- und Leistungsdichte bei längerer Lebensdauer und höheren Zykluszahlen eine wichtige Rolle.

Das Prinzip der Lithium-Ionen-Batterie beruht auf der reversiblen Insertion und Extraktion von Lithium-Ionen in ein Aktivmaterial durch elektrochemische Redoxvorgänge. Dazu ist die Batterie aus einer Anode und einer Kathode aufgebaut, an denen die elektrochemischen Prozesse während des Entladens und des Ladens stattfinden. Die Elektroden sind durch Stromabscheider elektrisch über einen Verbraucher verbunden. Ein Elektrolyt dient dabei als Ionenleiter für die Lithium-Ionen und schließt den Stromkreis.

An der Anode wird das Aktivmaterial reduziert. Dabei werden Lithium-Ionen eingelagert. Beim Entladen werden sie dann wieder freigesetzt. Als Anode geschaltet besteht der Stromableiter aus Kupfer, da dieses bei niedrigen Potentialen keine Legierung mit Lithium bildet und elektrochemisch stabil ist. Für die Anwendung muss das Aktivmaterial mit einem Binder auf diesen Stromableiter aufgebracht werden. Dieser besteht heute meist aus Polyvinylidenfluorid (PVdF) und ist für eine verbesserte Leitfähigkeit mit Ruß gemischt. Mit einem Dispergiermittel, häufig N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), wird ein sogenannter Slurry hergestellt und auf das Trägermaterial (den Stromableiter: Kupfer bei der Anode, Aluminium bei der Kathode) aufgebracht und getrocknet. Nach weiteren Prozessschritten wie Kalandrieren (zum Verdichten und Glätten) und Schneiden erhält man die fertigen Elektroden.

PVdF und NMP haben dabei deutliche Nachteile: Neben dem hohen Preis des PVdF ist vor allem das hohe Gesundheitsgefährdungspotenzial durch das giftige und krebserregende Lösemittel von Nachteil, was eine aufwändige Verfahrenstechnik und Sicherheits- und Zulassungsmaßnahmen notwendig macht. Auch funktionell sind Nachteile vorhanden: Die geringe Haftung des Binders zum Trägermaterial und die geringe Elastizität haben sich als nachteilig erwiesen, da sie zur Delamination und Rissbildung in der fertigen Elektrodenfolie führen kann.

Hier setzt das Projekt BeBAT an. Im Rahmen des Vorhabens werden Bindermaterialien entwickelt, welche die genannten Nachteile überwinden. Dabei wird angestrebt, im Vergleich zu den etablierten Lösungen die Ladungsdichte, Sicherheit und Umweltverträglichkeit zu erhöhen.

Die aktuellen, gesundheitsbedenklichen Bindersysteme sollen gegen unbedenkliche Systeme ausgetauscht werden. Dabei setzt das Projekt bei Bindern auf der Basis von Epoxidharzen an. Die besondere Herausforderung besteht darin, einen möglichst hohen Anteil an Binderkomponenten auf der Basis nachwachsender Rohstoffe zu verwenden.

Ziel ist es, ein maßgeschneidertes Bindersystem zu erhalten, das die oben genannten Nachteile überwindet und aufgrund der Verarbeitung die Prozesskosten senkt.

Als Ausgangsverbindungen werden ungesättigte biobasierte Verbindungen wie Fette und Öle eingesetzt und speziell für die Anwendung als Epoxid-Bindemittel für Elektrodenmaterial modifiziert. Optimiert werden das Reaktionsverhalten, das Abbindeverhalten und die chemische, mechanische und elektrische Stabilität. Basierend auf den Ergebnissen werden ausgewählte Bindemittelsysteme im Präindustriemaßstab zu Elektrodenfolien verarbeitet, die auf ihre Eignung getestet werden.

Das Thünen-Institut ist für die Entwicklung der Epoxidklebstoffkomponenten auf Basis nachwachsender Rohstoffe verantwortlich und führt die damit verbundenen Synthese und chemisch-analytischen Charakterisierungen durch. Das Institut für Füge- und Schweißtechnik (ifs) analysiert die thermo-mechanischen Eigenschaften und modifiziert in enger Zusammenarbeit mit dem Thünen-Institut die Epoxid-Binder. Die Einarbeitung des Aktivmaterials, die Vorversuche zur Herstellung von Elektrodenfolien sowie die Bestimmung der Eigenschaften der Batteriezellen (Leitfähigkeit, Porosität u. a.) und erste Vorversuche zur Herstellung von Elektrodenfolien werden ebenfalls am ifs durchgeführt. Diese Vorversuche werden begleitet von der Custom Cells Itzehoe GmbH, die ausgehend von den optimierten Bindern und Rezepturen der Vorversuche und ausgehend von den Ergebnissen der Charakterisierungen die Laborprozesse in ein industriell realisierbares Verarbeitungskonzept (Scale-Up) erarbeitet. Die Schill + Seilacher „Struktol“ GmbH unterstützt als assoziierter Partner die Verbundpartner durch die Bereitstellung von modifizierten Epoxidharzsystemen.

Die Ergebnisse des Projektes tragen dazu bei, die derzeit verwendeten Bindermaterialien durch unbedenkliche Systeme auf der Basis nachwachsender Rohstoffe ersetzen zu können und den Herstellprozess durch eine vereinfachte Handhabung ohne toxische Lösemittel preisgünstiger zu gestalten.