Elektronik und Mobilität Simultane Beschichtung beschleunigt Elektrodenfertigung

Redakteur: Peter Königsreuther

Ein neues Konzept zur simultanen Beschichtung und Trocknung zweilagiger Elektroden haben Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt und erfolgreich angewendet.

Schneller zur Elektrode! Und zwar mit dem sogenannten Simultankonzept. Die Schichten werden dabei gleichzeitig appliziert, heißt es. Hier eine Raserelektronenmikroskop-Aufnahme mit einem Querschnitt durch eine mehrlagige Elektrode, die so hergestellt wurde.
Schneller zur Elektrode! Und zwar mit dem sogenannten Simultankonzept. Die Schichten werden dabei gleichzeitig appliziert, heißt es. Hier eine Raserelektronenmikroskop-Aufnahme mit einem Querschnitt durch eine mehrlagige Elektrode, die so hergestellt wurde.
(Bild: J. Schmatz und J. Kumberg)

Elektrofahrzeuge erobern sich zusehends eine zentrale Bedeutung, sagen die Forscher vom KIT. Deshalb brauch es günstige und leistungsstarke Batterien, die der steigenden Nachfrage begegnen können. Was die gängigen Lithium-Ionen-Batterien anbelangt, so sind deren Elektrodenschichten entscheidend für die Tauglichkeit, denn die Aktivmaterialien in denselben speichern die Energie, heißt es weiter. Nachdem die Elektroden beschichtet sind müssen sie getrocknet werden. Beide Prozesse gehörten aber zu den teuersten bei der Batterieproduktion. Forschende der Gruppe Thin Film Technology (TFT – Technologie dünner Schichten) des KIT unter Leitung von Professor Wilhelm Schabel und Dr. Philip Scharfer forschen deshalb seit Jahren in diesem Bereich, um die Kosten zu senken.

Elektrodenbeschichten und -Trocknen gelingt jetzt simultan

So gelang es bereits, die Beschichtungsgeschwindigkeit deutlich zu steigern. Auch startete man ein neuartiges Trocknungsmanagement. Jetzt gibt es weitere Erfolge! Denn man konnte die Prozessschritte Beschichten und Trocknen zu einem Simultankonzept kombinieren. In der Zeitschrift „Energy Technology“ wurde das erstmals veröffentlicht. Die Gruppe TFT entwickelt diese Methode zur Elektrodenherstellung in Celest – Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe, einer der größten Batterieforschungsplattformen weltweit, ist zu erfahren.

Die Experten konnten nach eigener Aussage beweisen, dass man im Prinzip alle Prozessschritte beherrscht, um Batterien künftig schneller und damit günstiger zu produzieren. Und zwar ohne dass die Qualität darunter leidet. Bei der üblichen Elektrodentrocknungszeit, die bis zu einer Minute dauern kann, sind bei Produktionsgeschwindigkeiten von oft über 100 Metern pro Minute lange Trocknerstrecken erforderlich. Das aber sei bei Elektroden mit hohem Auftragsgewicht technisch kaum handelbar und wenn, dann teuer.

Nach dem neuen Konzept der Gruppe TFT werden für die einzelnen Schichten verschiedene Aktivmaterialien eingesetzt und eben simultan appliziert. Eine Schicht ist für die Adhäsion verantwortlich, eine für die spezifische Kapazität, erklären die Wissenschaftler. Diese Schichtstruktur erlaubt eine Herstellung bei vergleichsweise hoher Trocknungsrate und damit gedrittelter Trocknungszeit.

Test von Elektroden zeigen, dass speziell bei der 3C-Schnellladung die schnell getrockneten Multilagen und die langsam getrocknete Einzellage keine Unterschiede in der Kapazität aufweisen.
Test von Elektroden zeigen, dass speziell bei der 3C-Schnellladung die schnell getrockneten Multilagen und die langsam getrocknete Einzellage keine Unterschiede in der Kapazität aufweisen.
(Bild: J. Kumberg / KIT)

Eigenschaften können gezielt in den Elektrodenlagen verteilt werden

Trotz der reduzierten Trocknungszeit brauche man keine Einbußen bei der Kapazität und damit der Reichweite der Batterie befürchten – auch nicht bei sogenannten 3C-Zyklen, das heißt Schnellladezeiten von 20 Minuten. In ihrer Studie brachten die Experten verschiedene Aktivmaterialien in den Lagen einer Anode über die Dicke verteilt auf, sodass sich die unterschiedlichen Eigenschaften gezielt in den Elektrodenlagen verteilten, wird weiter erklärt. Die Elektroden lassen sich dadurch quasi maßschneidern. Sie erhielten dadurch bessere mechanische sowie elektrochemische Eigenschaften.

Die TFT-Forschungen zeigen, dass es in Zukunft grundsätzlich möglich wäre, die Batterieproduktion in einem Viertel der bisherigen Zeit zu fertigen. Die Ergebnisse werden derzeit auch auf andere Materialien übertragen und auch zur Optimierung von Elektroden für Natrium-Ionen Batterien im Rahmen der Forschung im Exzellenzcluster POLiS – Post Lithium Storage eingesetzt.

Derzeit arbeitet die Gruppe auch an verschiedenen Möglichkeiten, um das Simultankonzept auf den industriellen Maßstab zu übertragen. Dazu testet sie die rein konvektive Trocknung mit Hochleistungsdüsen sowie Lasertrocknungsmodulen.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die Untersuchungen übrigens im Rahmen verschiedener Forschungsclusterprojekte mit über 5 Millionen Euro.

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