Deutsche Forscher demonstrieren laserbasierte Trocknung von Elektroden

Das Forschungsprojekt IDEEL ist nach drei Jahren erfolgreich zu Ende gegangen. In dem Projekt haben zahlreichen Partnern aus der Wissenschaft und der Industrie ein laserbasiertes Trocknungsverfahren für die Batterieproduktion entwickelt.

Über einen Zwischenstand aus dem IDEEL-Projekt haben wir bereits im vergangenen April berichtet. In dessen Rahmen haben die Forscher rund um den Lehrstuhl „Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen eine Methode entwickelt, um LFP-Kathoden und Graphit-Anoden mit einem Laserverfahren zu trocknen – was schneller und effizienter ist als die aktuellen Verfahren.

„Die Elektrodentrocknung im ‚Rolle zu Rolle‘-Verfahren war bislang einer der energie-, kosten- und CO2-intensivsten Prozesse in der Produktion von Lithium-Ionen-Akkus“, sagt PEM-Leiter Professor Achim Kampker. Denn bisher laufen die Elektroden nach der Beschichtung durch riesige Durchlauföfen, die oft mit Gas befeuert werden. Diese Öfen und Beschichtungsanlagen stehen zudem in großen Reinräumen, deren Klimatisierung ebenfalls viel Energie benötigt. Dieser Prozessschritt nach der Nassbeschichtung ist für einen Großteil des Energiebedarfs der Batterieproduktion verantwortlich – und damit auch für hohe Kosten.

In der aktuellen Mitteilung, in der Bilanz gezogen wird, spricht der PEM wörtlich von einem „Durchbruch“ bei der Lasertrocknung in der Batterieproduktion. Im Rahmen von IDEEL wurde eine Kombinationstrocknung entwickelt: Zunächst wird das Material mit Hochleistungs-Diodenlasern „vorgetrocknet“, bevor es dann in einen angepassten, kleineren Ofen geht.

Das Hybridsystem habe erstmals auf eine Bahngeschwindigkeit von 30 Metern pro Minute skaliert werden können. „Durch den Laser-Booster zu Prozessbeginn wird die erforderliche Ofenlänge halbiert, was wertvolle Prozessflächen spart, den Bedarf an energieintensiven Trockenräumen deutlich verringert und die operativen Kosten insgesamt um 20 bis 30 Prozent senkt“, sagt PEM-Leitungsmitglied Professor Heiner Heimes. Der neue Ansatz erlaube wirtschaftlichere und klimaschonendere Verfahren, wodurch sich die ökonomische und ökologische Gesamtbilanz der Batterieproduktion entscheidend verbessere.

Für das neue Trocknungsverfahren mussten im Vorfeld neue Anoden- und Kathodenbeschichtungen mit wässrigen Rezepturen auf Graphit-, Lithium-Eisenphosphat- und Silizium-Graphit-Basis entwickelt werden. Sowohl die neuen Rezepturen als auch das kombinierte Laser-Ofen-Verfahren soll aber „im Hinblick auf die Prozessergebnisse keine Nachteile“ bieten. Der Prozess soll jetzt im nächsten Schritt in die Arbeit der Fraunhofer FFB in Münster einfließen.

PEM-Leiter Achim Kampker erwartet bei dem weiteren Hochskalieren des Lasertrocknens aber keine grundlegen neuen Probleme. „Trotz erhöhter Durchsatzrate ist bei Adhäsion, Restfeuchte, elektrischer Leitfähigkeit und elektrochemischen Eigenschaften eine mindestens gleichwertige Ergebnisqualität gewährleistet“, sagt Kampker. „Die Industrietauglichkeit ist damit vollständig nachgewiesen.“

Am Projekt „Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium-Ion Battery Production“ (IDEEL) waren neben dem Lehrstuhl PEM die Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB, das Zentrum „Münster Electrochemical Energy Technology“ (MEET) der Universität Münster und das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) sowie die Unternehmen Laserline, COATEMA Coating Machinery und Optris beteiligt.

rwth-aachen.de