Fraunhofer: Fortschritte bei Trockenbeschichtung von Elektroden

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) hat ein Trockenbeschichtungsverfahren entwickelt, das toxische Lösungsmittel bei der Herstellung von Batterieelektroden überflüssig macht. Dadurch soll der Produktionsprozess merklich umweltfreundlicher werden.

++ Dieser Beitrag wurde aktualisiert. Sie finden die neuen Infos ganz unten. ++

Der von einem interdisziplinären Forschungsteam am Fraunhofer IWS in Dresden entwickelte Ansatz setzt bei der Herstellung der Elektroden an, die als zentraler Bestandteil der Batterie in der Regel aus einer Metallfolie bestehen, die mit einer dünnen Beschichtung überzogen ist. Die Beschichtung enthält dabei die aktiven Komponenten, die für die Energiespeicherung verantwortlich sind.

„Üblicherweise erfolgt der Beschichtungsprozess nass-chemisch mit sogenannten Slurry-Ansätzen“, erklärt Benjamin Schumm, Gruppenleiter Chemische Beschichtungsverfahren am Fraunhofer IWS. Aus Aktivmaterial, Leitrußen und Bindern wird zusammen mit einem Lösungsmittel eine Art Paste hergestellt, mit der zunächst eine nasse Schicht auf der Metallfolie erzeugt wird. „Damit das Lösungsmittel anschließend wieder verdampfen kann, werden riesige Anlagen mit sehr langen Trocknungsstrecken benötigt. Diesen Prozess können wir mit DRYtraec effizienter gestalten.“

Das neue Verfahren namens DRYtraec soll also gegenüber herkömmlicher Produktionsmethoden nicht nur nachhaltiger, sondern auch platz- und energiesparender sein. Für das nun entwickelte Beschichtungsverfahren werden grundsätzlich ähnliche Ausgangsstoffe wie in den Slurry-Ansätzen verwendet. Die Trockenvariante des Fraunhofer IWS kommt dabei jedoch ohne Lösungsmittel aus, setzt dafür aber auf einen speziellen Binder. Zusammen bilden die Materialien ein Pulver, das in einen Kalanderspalt, also einen Spalt zwischen zwei entgegengesetzt rotierende Walzen, gegeben wird.

Entscheidend ist, dass sich eine der Walzen dabei schneller dreht als die andere. So entsteht eine Scherkraft, die dafür sorgt, dass der Binder fadenförmige Netzwerke, sogenannte Fibrillen, ausbildet.„Man kann sich das in etwa wie ein Spinnennetz vorstellen, das die Partikel mechanisch verankert“, so Schumm. Auf der schneller rotierenden Walze bildet sich durch Druck und Bewegung ein feiner Film. Dieser wird anschließend in einem zweiten Kalanderspalt auf eine Stromableiterfolie übertragen. Hierbei könnten ohne großen Mehraufwand auch beide Seiten gleichzeitig beschichtet werden teilt das Institut mit. Im letzten Schritt werde die entstandene Rolle dann je nach Bedarf zugeschnitten und die einzelnen Teile entsprechend gestapelt, um so die fertige Batteriezelle zu erzeugen.

Erste Prototypenanlagen hat das Team im Rahmen des Förderprojekts DryProTex bereits in Betrieb genommen. Dabei habe sich gezeigt, dass eine kontinuierliche Elektrodenherstellung möglich ist – auch unabhängig vom jeweiligen Batterietyp: „Das Einsatzspektrum der Technologie ist nicht auf eine bestimmte Zellchemie beschränkt“, betont Schumm. „Die Anwendung bei Lithium-Ionen-Zellen ist genauso möglich wie bei Lithium-Schwefel- oder Natrium-Ionen-Zellen. Auch Feststoffbatterien haben wir mit im Blick. Diese werden in Zukunft eine immer größere Rolle spielen, aber die Materialien vertragen keine nass-chemische Verarbeitung. Hier liefern wir mit DRYtraec einen vielversprechenden Ansatz.“

Das Interesse der Industrie ist dem Institut zufolge groß. Derzeit liefen Gespräche mit mehreren Automobil- und Zellherstellern, um die Realisierung von diversen Pilotanlagen zu planen, heißt es.

Sowohl national als auch international arbeiten unterdessen mehrere Akteure an Trockenbeschichtungsverfahren für Batterielektroden. So ist dieses Feld auch Thema des vom Bundesforschungsministerium geförderten Kompetenzclusters ProZell. In den USA tüftelt unter anderem die von Tesla übernommene Firma Maxwell Technologies an „trockenen Elektroden“.

Update 18.05.2022: Der am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS entwickelte Beschichtungsprozess DRYtraec erlaubt die trockene Herstellung von Batterieelektroden ohne toxische organische Lösemittel oder Wasser. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert nun ein Vorhaben mit 3,7 Millionen Euro, das die Trockenbeschichtungstechnologie zu einer gesamtheitlichen Technologieplattform ausbauen wird.
iws.fraunhofer.de, idw-online.de, fraunhofer.de (Update)