Trocken präparierte Hochenergie-Kathoden durch Extrusion in gewickelten Vollzellen

Lithium-Ionen-Batterien werden seit ihrer Markteinführung in den Neunzigerjahren in vielen Anwendungen eingesetzt. Außer in Laptops, Tablets, Mobiltelefonen und medizinischen Geräten sind sie inzwischen auch in Power Tools und stationären Speichern zu finden und gewinnen dort zunehmend an Bedeutung. Außerdem gelten sie als Schlüsselkomponente für die Elektromobilität, einem zentralen Baustein für die Energiewende in Deutschland. Lithium-Ionen-Zellen werden bisher hauptsächlich in Asien hergestellt. Um an ihrem prognostizierten enormen Wachstumsmarkt teilhaben zu können, müssen deutsche Hersteller wettbewerbsfähige Produkte anbieten. Gefragt sind hohe Energiedichten, lange Lebensdauern und ein niedriger Preis. In diesem Projekt soll ein innovativer Herstellungsprozesses erforscht werden, durch den die Kosten und Umweltfreundlichkeit von Lithium-Ionen-Zellen mit hoher Energiedichte deutlich verbessert werden.

Zur Realisierung hoher Energiedichten ist eine möglichst hohe Flächenbeladung der Elektroden mit Aktivmaterial wünschenswert. Dies vermindert auch die Kosten von Batteriezellen maßgeblich, indem Passivmaterial eingespart und der Gehäuseraum in erhöhtem Maß für die Aktivmasse genutzt wird. Die rissfrei präparierbare Beschichtungsdicke ist jedoch durch die spezifischen Eigenschaften des Lösungsmittels begrenzt.

Nickel-Cobalt-Manganoxid (NCM 622) gilt derzeit als optimales verfügbares Kathodenmaterial zur Herstellung von Hochenergie-Kathoden für den Einsatz in Elektrofahrzeugen. Zur Verarbeitung dieses Materials werden große Mengen des teuren, gesundheits- und umweltschädlichen organischen Lösungsmittels N-Methyl-pryrrolidon (NMP) eingesetzt, das in einem aufwendigen und teuren Trocknungsprozess wieder entfernt werden muss. Dies verursacht bis zu 70 % der Elektrodenherstellungskosten und bis zu 15 % der Material- und Prozesskosten einer üblichen Zelle.

Beide Problemstellungen – die durch den Lösungsmitteleinsatz limitierte Flächenbeladung und die Kosten der Trocknung – können durch eine lösungsmittelfreie Herstellung von Kathoden mit NCM 622 gelöst werden. Ziel des Projekts ist es, dazu einen Prozess zu erforschen, diesen hochzuskalieren und die Eignung dieses Prozesses in gewickelten 21700-Zellen nachzuweisen.

Im Projekt TROPEX soll ein lösungsmittelfreier Herstellungsprozess mittels Extrusion für Hochenergiekathoden mit sehr hohem Aktivmassegehalt und sehr hoher Flächenbelegung erarbeitet werden. In diesem Teilprojekt werden am ZSW Rezepturen und Prozessparameter im Labormaßstab erforscht.

Die Extrusion ermöglicht einen sehr effizienten kontinuierlichen Mischprozess, durch den deutlich verkürzte Mischzeiten und damit weitere Kostenvorteile gegenüber aktuell eingesetzten Prozessen zu erwarten sind. Der Verzicht auf Lösungsmittel und die gleichzeitige Optimierung der Energiedichte durch maximale Aktivmasseanteilen verringern aber die Fließfähigkeit der Materialien und damit ihre Verarbeitbarkeit im Extruder. Mit zunehmender Flächenbelegung und zunehmendem Aktivmassegehalt wird zusätzlich die Wickelbarkeit der Elektroden beeinträchtigt. Außerdem wird die Kinetik elektrochemischer Prozesse mit steigender Elektrodendicke limitiert, was zu einer geringeren Strombelastbarkeit der Elektroden führt.

Diesen Herausforderungen soll einerseits durch die Forschung an innovativen Rezepturen sowie andererseits durch die Erarbeitung geeigneter Prozessparameter bei der Extrusion begegnet werden. Rezepturseitig soll aufgeklärt werden, welche Eigenschaften die einzelnen Materialien – Aktivmaterial, Binder und Additive – in einem lösungsmittelfreien Prozess aufweisen müssen und wie sie kombiniert werden müssen. Die Beurteilungskriterien erstrecken sich von der Verarbeitbarkeit der Komposite wie deren Fließfähigkeit unter den Bedingungen des Extrusionsprozesses bis hin zur elektrochemischen Performanz der Elektroden. Parallel dazu wird eine geeignete Prozessführung erforscht.

Um einen industriell realistischen Prozess abzubilden, werden die dicken extrudierten Komposite in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess, der ebenfalls neu erforscht wird, auf einen Kollektor übertragen und kalibriert. Aus den so hergestellten Elektroden werden am ZSW gestapelte Pouchzellen und beim Projektpartner VARTA gewickelte Zellen im neuen, zukunftsweisenden Format 21700 hergestellt. Diese Prototyp-Zellen werden am ZSW anhand von elektrischen Tests und Sicherheitstests bewertet.

Ziel dieses Projekts ist die Erarbeitung eines vollständig lösungsmittelfreien Herstellungsprozesses für Batterieelektroden. Dadurch könnten etwa 1000 Tonnen des Lösungsmittels NMP pro hergestellter Gigawattstunde Zellenergie eingespart werden. Indem dazu die Extrusion als Verfahren eingesetzt wird, können Eletroden mit besonders hoher Energiedichte hergestellt werden und ein zusätzlicher Kostenvorteil durch kurze Mischzeiten erreicht werden. Insgesamt wird ein kontinuierlicher durchgehender Prozess von der Trockenextrusion über das Aufbringen des Extrudats in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf einen Kollektor bis zum Aufwickeln der fertigen Elektrode erarbeitet.

Am ZSW werden dazu die Rezepturen und Grundverfahren erforscht und den Projektpartnern mitgeteilt. Bei VMB werden für diese Rezepturen Granulationsprozesse erforscht, mit denen dann im Pilotmaßstab die Pulver zu Granulaten verarbeitet werden und Breyer für Extrusionsversuche zur Verfügung gestellt werden. Die Firma Breyer erforscht Möglichkeiten zur Hochskalierung der trockenen Elektrodenherstellung in einen Industrieprozess sowie erforderliche Maschinenkonzepte. Auf dieser Basis werden Erkenntnisse für die Entwicklung von Produktionsmaschinen für diesen innovativen Prozess gewonnen.

Die Elektroden aus diesem Projekt werden eine hohe Energiedichte und geringe Kosten aufweisen. Diese Eigenschaften werden in Lithium-Ionen-Vollzellen verschiedener Formaten übertragen und anhand von Tests nachgewiesen. Hohe Energiedichten und geringe Kosten sind essentielle Eigenschaften von Lithium-Ionen-Zellen für den Einsatz in Elektrofahrzeugen. Insbesondere niedrige Kosten erweitern den Einsatzbereich in weitere Felder wie Power Tools, stationäre Speicher und USVs.

Dem ZSW dient das Projekt zur Erweiterung seiner Kompetenzen auf dem Gebiet der Herstellung von innovativen Lithium-Ionen-Zellen. Bei Industriepartnern können die Erkenntnisse durch Kooperationen mit dem ZSW in eine kommerzielle Nutzung einfließen.