KIT entwickelt neues Verfahren zur Elektroden-Herstellung

Ein innovatives Konzept für die simultane Beschichtung und Trocknung zweilagiger Elektroden haben Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt und erfolgreich angewendet. Damit soll das Tempo der Batterieproduktion deutlich gesteigert werden können.

Mit dem in der Forschungsgruppe Thin Film Technology (TFT) entwickelten Verfahren sollen die Trocknungszeiten auf unter 20 Sekunden verkürzt werden können, so das KIT in der Mitteilung. Gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik entspreche das einer Reduktion auf die Hälfte bis ein Drittel bedeutet. Das Konzept soll es ermöglichen, Lithium-Ionen-Batterien schneller und kostengünstiger zu produzieren.

Dabei handelt es sich aber immer noch um ein nasschemisches Verfahren: Die Aktivmaterialien werden in Pulverform vermischt und mit einem Binder und Lösungsmitteln zu einer Paste (englisch „slurry“) angerührt. Diese Paste wird dann dünn auf ein Trägermedium, meist eine Aluminiumfolie, aufgetragen und anschließend in Öfen getrocknet, damit das Lösungsmittel verdampft und die Beschichtung fest wird.

Das Trocknen dauert üblicherweise rund eine Minute – bei einer Produktionsgeschwindigkeit von 100 Metern pro Minute ist also eine entsprechend lange Trocknungsstrecke nötig. Durch eine Kopplung der Prozessschritte beim Beschichten und Trocknen ist es der KIT-Forschungsgruppe nun gelungen, ein Simultankonzept zu entwickeln. In der Zeitschrift „Energy Technology“ hat die TFT die Ergebnisse vorgestellt, bei der Publikation war Jana Kumberg, Doktorandin am KIT, federführend.

Konkret werden bei dem Simultankonzept für die einzelnen Schichten verschiedene Aktivmaterialien eingesetzt und simultan appliziert. Eine Schicht ist für die Adhäsion verantwortlich, eine für die spezifische Kapazität. Diese Schichtstruktur – grob auf ein Drittel und zwei Drittel aufgeteilt – erlaube eine Herstellung „bei ausgesprochen hoher Trocknungsrate und auf ein Drittel reduzierten Trocknungszeiten“.

An dem Projekt ist auch BASF beteiligt. Der Chemiekonzern hatte bereits in der vergangenen Woche eine ähnliche Mitteilung veröffentlicht. BASF beschrieb das Verfahren darin so: „Eine dünne Primer-Schicht unterhalb der eigentlichen Anode kann dazu beitragen, die Haftfähigkeit zu verbessern. Damit kann in der Aktivmaterial-Paste bei der Beschichtung der Elektroden der Gesamtbindergehalt reduziert werden, was zu einer höheren Energiedichte führt.“

„Unsere Arbeit zeigt, dass wir im Prinzip alle Prozessschritte beherrschen, um Batterien künftig schneller und damit kostengünstiger zu produzieren, ohne dass die Qualität darunter leidet“, sagt Professor Wilhelm Schabel. Trotz der reduzierten Trocknungszeit komme es nicht zu Einbußen bei der Kapazität und damit der Reichweite der Batterie, auch nicht bei sogenannten 3C-Zyklen – also mit einer Schnellladung in 20 Minuten.

In ihrer Studie brachten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedene Aktivmaterialien in den Lagen einer Anode über die Dicke verteilt auf, sodass sich die unterschiedlichen Eigenschaften gezielt in den Elektrodenlagen verteilten. Die Elektroden sollen sich dadurch maßschneidern lassen und weisen verbesserte mechanische sowie elektrochemische Eigenschaften auf. „Wir haben erste vielversprechende Ergebnisse erzielt“, sagt Schabel. „Nun gilt es, weiter an der industriellen Verwirklichung zu forschen.“

Derzeit arbeitet die Gruppe an verschiedenen Möglichkeiten, um das Simultankonzept auf den industriellen Maßstab zu übertragen. Dazu testet sie die rein konvektive Trocknung mit Hochleistungsdüsen sowie Lasertrocknungsmodule.  „Unsere Forschungen zeigen, dass es in Zukunft grundsätzlich möglich sein könnte, das Tempo der Batterieproduktion um 200 bis 300 Prozent zu steigern“, erklärt Schabel.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die Untersuchungen im Rahmen verschiedener Forschungsclusterprojekte mit über fünf Millionen Euro.
kit.edu