Batterieforschung Batterieelektroden sind ohne Lösungsmittel herstellbar

Redakteur: Peter Königsreuther

Forschende am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS zeigen, wie die Batterieelektrodenfertigung ohne schädliche Lösungsmittel auskommt. Eine besondere Anlage hilft dabei.

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Umweltfreundlich! Blick in den Kalanderspalt der sogenannten Drytraec-Anlage am Fraunhofer-IWS in Dresden, mit der man nach Zugabe von trockenem Ausgansmaterial Batterieelektroden ohne schädliche Lösungsmittel herstellen kann.
Umweltfreundlich! Blick in den Kalanderspalt der sogenannten Drytraec-Anlage am Fraunhofer-IWS in Dresden, mit der man nach Zugabe von trockenem Ausgansmaterial Batterieelektroden ohne schädliche Lösungsmittel herstellen kann.
(Bild: Fraunhofer-IWS)

Herkömmliche Prozesse zur Herstellung von Batterieelektroden bedürfen toxischer Lösungsmittel. Die dafür genutzten Anlagen nehmen außerdem viel Platz ein und haben einen hohen Energiebedarf für die Trocknung der Elektroden – also für die Entfernung der Lösungsmittel, sagen die IWS-Spezialisten. Wenn das mit weniger Aufwand und ohne Lösungsmittel klappt, hat man viel gewonnen, denn das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) glaubt das bis 2030 der Energiebedarf in Deutschland rund 655 Terrawattstunden erreicht. Das wäre von heute an betrachtet ein Anstieg um 20 Prozent. Viel Nachfrage werde aus der Elektromobilität kommen. Dann sind produktive und schonende Herstellungsverfahren für Batterien und deren Komponenten gefragt. Eine Möglichkeit, wie man das erreicht, heißt Drytraec-Verfahren.

Die Elektrode ist der zentrale Batteriebaustein

Die Elektroden erklären die Dresdener Forschenden sind quasi das Herz jeder Batterie. Sie sind meist aus einer Metallfolie gefertigt, die mit einer dünnen Beschichtung überzogen ist, welche die aktiven Komponenten beinhaltet, die die Energiespeicherung erlauben. Eigentlich erfolgt der Beschichtungsprozess nass-chemisch und braucht dafür sogenannte Slurry-Ansätze, erklärt Dr. Benjamin Schumm, Gruppenleiter Chemische Beschichtungsverfahren am IWS, zur üblichen Herstellung der Elektroden. Aus Aktivmaterial, Leitrußen und Bindern wird dann durch einwirkendes Lösungsmittel eine Art Paste hergestellt, die als nasse Schicht auf der Metallfolie appliziert wird. Das Lösungsmittel muss aber anschließend wieder durch Verdampfen entfernt werden. Dazu werden riesige Anlagen mit sehr langen Trocknungsstrecken benötigt. Diesen Prozess kann man mit dem Beschichtungsverfahren Drytraec nebst zugehöriger Anlage nun effizienter, umweltschonender und mit deutlich weniger Systemaufwand ablaufen lassen, betont Schumm.

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Ausgangsstoffe im künstlichen „Spinnennetz“ gefangen

Für Drytraec würden grundsätzlich ähnliche Ausgangsstoffe wie in den Slurry-Ansätzen verwendet, doch die trockene Variante der Elektrodenherstellung macht Lösungsmittel obsolet. Denn man setzt dafür einen speziellen Binder für die Ausgangsstoffe ein. Zusammen bilden die Materialien ein Pulver, das in den Spalt eines Walzwerks (Kalander) gegeben wird. Der Spalt besteht zwischen zwei entgegengesetzt rotierende Walzen. Das Wichtigste sei, dass sich eine der Walzen schneller dreht als ihr Gegenüber. So baut sich eine Scherkraft auf, die dafür sorgt, dass der Binder fadenartige Netzwerke, sogenannte Fibrillen, ausbildet. Laut Schumm kann man sich das durchaus wie ein Spinnennetz vorstellen, das die trockenen Partikel mechanisch verankert. Auf der schneller rotierenden Walze bildet sich durch Druck und Bewegung ein feiner Film. Dieser wird anschließend in einem zweiten Kalanderspalt auf eine Strom ableitende Folie übertragen. Ohne großen Mehraufwand könnten so auch beide Seiten gleichzeitig beschichtet werden. Zum Schluss wird die so entstandene Elektrodenfolienrolle je nach Bedarf zugeschnitten und die einzelnen Teile entsprechend gestapelt, um daraus eine funktionierende Batteriezelle zu machen.

Die größten Hürden haben laut Schumm die Kollegen genommen, die das Pulvergemisch entwickelt haben und jene, die es geschafft haben, dass der Trockenfilm stabil genug für die Verarbeitung bleibt.

Trockene Elektrodenherstellung nützt allen Batterietypen

Im Rahmen des Förderprojekts „DryProTex“ wurden bereits erste Drytraec-Prototypenanlagen in Betrieb genommen, heißt es weiter. Mit ihnen konnten die Forschenden beweisen, dass eine kontinuierliche Elektrodenherstellung möglich ist – und zwar unabhängig vom späteren Batterietyp! Das Drytraec-Verfahren sei auch nicht auf eine bestimmte Zellchemie beschränkt. Deshalb ist kann man sie für Lithium-Ionen-Zellen genauso nutzen, wie für bei Lithium-Schwefel- oder Natrium-Ionen-Zellen. Auch Feststoffbatterien stünden schon im Fokus. Diese, meint Schumm, werden in Zukunft eine immer größere Rolle spielen. Aber die Materialien vertragen keine nass-chemische Verarbeitung. Drytraec wäre als auch dafür eine gute Unterstützung. Auch das Interesse der Industrie sei schon geweckt. Deshalb sollen schon erste Gespräche mit mehreren Automobil- und Zellherstellern laufen, wobei es um den Aufbau von Pilotanlagen geht.

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