Lithium-Ionen-Fertigung Herstellung von Batterieelektroden im Expresstempo

Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben die Geschwindigkeit der Herstellung von Elektrodenfolien mit absatzweiser Beschichtung verdreifacht – auf 100 m pro Minute. Möglich macht dies ein flexibles Düsenverfahren, das beliebige Muster mit großer Präzision auch bei hohen Geschwindigkeiten erzeugt.

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Karlsruher Institut für Technologie KIT

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Dank der zum Patent angemeldeten neuen Technologie lassen sich bis zu 300 % mehr Elektrodenfolien produzieren. Dies erlaubt, Lithium-Ionen-Batterien deutlich kostengünstiger zu fertigen.

Lithium-Ionen-Batterien sind wichtig für die Energiewende – ob es um die Speicherung von Strom aus fluktuierenden erneuerbaren Quellen oder um den Betrieb von Elektrofahrzeugen geht. Allerdings stellen die hohen Kosten der Batterien immer noch ein Hindernis dar.

Stand der Technik waren bisher 25 bis 35 m pro Minute

Einer Arbeitsgruppe um Professor Wilhelm Schabel und Dr. Philip Scharfer vom Forschungsbereich „Thin Film Technology“ (TFT) am Institut für Thermische Verfahrenstechnik des KIT ist es nach dreijähriger Forschungsarbeit gelungen, die Geschwindigkeit der intermittierenden Herstellung von Elektrodenfolien, welche die eigentlichen Energiespeicher sind, auf 100 m pro Minute zu steigern. Stand der Technik waren bisher 25 bis 35 m pro Minute.

Die KIT-Wissenschaftler entwickelten im Rahmen des Projekts „Competence E“ eine völlig neuartige Beschichtungstechnologie, die nicht nur kontinuierliche Beschichtungen, sondern auch Muster mit hoher Präzision erzeugen kann. Inzwischen ist die Erfindung zum Patent angemeldet.

Bei der Herstellung einer Elektrodenfolie wird ein Slurry aus Aktivmaterial, Ruß, Binder, Lösungsmittel und Additiven auf eine Substratfolie aus Kupfer (für die Anode) oder Aluminium (für die Kathode) aufgetragen. Die Beschichtung kann durchgehend, besser aber für nachfolgende Verfahrensschritte unterbrochen, das heißt intermittierend erfolgen.

Fließeigenschaften der Pasten werden im Prozess später angepasst

„Bei intermittierender Beschichtung kommt es darauf an, dass die Start- und Stoppkanten auch bei hohen Frequenzen sauber verlaufen“, erklärt Schabel. „Dies erreichen wir bei unserem Verfahren durch eine Membran, die sich im Auftragswerk, das heißt in der Düse, schnell und gesteuert hin- und herbewegt.“ Dieses Verfahren verzichtet auf weitere bewegliche Teile und ermöglicht dadurch die hohen Frequenzen von bis zu 1000 Elektrodenmustern pro Minute bei zugleich hochpräziser Beschichtung.

Besondere Einstellungen an der Membran erlauben, die Fließeigenschaften der Pasten im Prozess später anzupassen. Der Verband des Deutschen Maschinen- und Anlagenbaus (VDMA) hat in einer in diesem Jahr herausgegebenen „Roadmap Batterie-Produktionsmittel“ eine Beschichtungsgeschwindigkeit von 100 m pro Minute als Ziel bis zum Jahr 2030 vorgegeben – dieses Ziel haben die KIT-Wissenschaftler bereits jetzt erreicht.

300 % mehr Elektrodenfolien bei gleichem Investitionsaufwand

Mit der neuen Technologie lassen sich bis zu 300 % mehr Elektrodenfolien produzieren, bei nahezu gleichbleibenden Investitionskosten. So lassen sich die Fertigungskosten von Lithium-Ionen-Batterien weiter beträchtlich senken. Die KIT-Wissenschaftler haben mit einem ähnlichen Verfahren bereits erfolgreich Elektroden für Elektrofahrzeuge im Pilotmaßstab hergestellt.

Der Leiter des Projekts „Competence E“ am KIT, Dr. Andreas Gutsch, sagt dazu: „In Kombination mit der ebenfalls am KIT entwickelten und zum Patent angemeldeten Helix-Technologie für gewickelte Lithium-Ionen-Batterien bietet das neue Beschichtungsverfahren die Möglichkeit, die Kostenführerschaft zu erreichen.“

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