KIT: Neues Verfahren senkt Produktionskosten für Elektroden

Einem Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist mit einem neuen Beschichtungsverfahren die bislang schnellste Produktion von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien gelungen. Gleichzeitig verbessert das neue Verfahren laut KIT die Qualität der Elektroden und reduziert die Produktionskosten.

Eine Gruppe um Wilhelm Schabel vom Institut für Thermische Verfahrenstechnik – Thin Film Technology (TVT-TFT) des KIT hatte bei den Forschungen vor allem die Vorgänge bei der Beschichtung des Trägermaterials im Auge: Beim Herstellen von Elektroden für Batterien wird Elektrodenmaterial als dünne Paste in einem rechteckigen Muster auf eine Folie aus Kupfer oder Aluminium aufgetragen. Unterbrochen ist das Muster von kurzen Abschnitten unbeschichteter Folie, die zur Ableitung der Elektronen unerlässlich sind.

Für diese Abschnitte muss der Beschichtungsprozess immer wieder unterbrochen und neu gestartet werden. Will man den Prozess beschleunigen, können scharfe Kanten entstehen oder die Paste verschmieren – laut Schabel machen selbst kleine Produktionsfehler die Batteriezellen unbrauchbar. „Präzision bei der Elektrodenbeschichtung ist ein ganz wesentlicher Faktor für die Effizienz und die Kosten der gesamten Batteriezellenproduktion“, sagt der Professor.

Eine entscheidende Weiterentwicklung gelang nun dem Doktoranden Ralf Diehm, indem er die Düse modifizierte: Statt eines mechanischen Ventils steuert eine schwingende Membran, wann die Düse geöffnet oder geschlossen ist. „Da diese Membran im Vergleich zu mechanischen Ventilen viel leichter ist, sind sehr schnelle Reaktionszeiten und somit hohe Geschwindigkeiten möglich“, erklärt Diehm. „Bislang waren Hersteller auf Geschwindigkeiten von etwa 30 bis 40 Meter pro Minute begrenzt. Mit der neuen Technologie erreichen wir bis zu 150 Meter pro Minute bei der Elektrodenbeschichtung.“

Ein weiterer Vorteil: Da sich die Membran nach Angaben des Instituts viel präziser steuern lasse, steige die Fertigungsqualität bei sinkendem Ausschuss. „Aufgrund des hohen Ausschusses und des geringen Durchsatzes sind Lithium-Ionen-Batterien heute teurer, als es eigentlich notwendig wäre“, sagt Schabel. Auf einer typischen Fertigungslinie können Elektroden für bis zu dreimal so viele Batteriezellen hergestellt werden und so dazu beitragen, den wachsenden Bedarf für die Elektromobilität zu decken – wenn in Rekordgeschwindigkeit gefertigt wird.

Direkt in die Produktion übertragen werden kann das neue Verfahren aber nicht. Der einfache Grund: Die heutigen Produktionsanlagen sind nicht auf dieses Tempo und den höheren Output an frisch beschichteten Elektroden ausgelegt. Die Paste muss erst trocknen. Um im selben Produktionsprozess zu bleiben, muss die Trockungszeit mit einem neuen Verfahren verkürzt werden – oder die Trocknerstrecken verlängert werden, wofür die gesamte Produktionsanlage vergrößert werden müsste.

Dennoch glauben die KIT-Forscher an den neuen Beschichtungsprozess: Die Technologie soll nun im Rahmen eines Spin-offs von Ralf Diehm und seinem Team vom Labor zur industriellen Produktion überführt werden.
kit.edu