Rasterelektronenmikroskopischer Querschnitt durch eine mehrlagige Elektrode: Für die einzelnen Schichten werden verschiedene Aktivmaterialien eingesetzt und simultan appliziert. (Abb.: J. Schmatz, Microstructures and Pores GmbH, und J. Kumberg, KIT)
Trocknungszeiten deutlich reduziert ohne Kapazitätseinbußen bei der Batterie
Ein innovatives Konzept für die simultane Beschichtung und Trocknung zweilagiger Elektroden haben Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt und erfolgreich angewendet. Dadurch gelingt es, Trocknungszeiten auf unter 20 Sekunden zu verkürzen, was gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik eine Reduktion auf die Hälfte bis ein Drittel bedeutet – ohne dass es zu Kapazitätseinbußen bei der Batterie kommt. Das Konzept ermöglicht, Lithium-Ionen-Batterien schneller und kostengünstiger zu produzieren.
Für die Mobilität der Zukunft haben Elektrofahrzeuge eine zentrale Bedeutung. Die Nachfrage nach leistungsfähigen und kostengünstigen Batterien steigt stetig an. In Batterien auf der Basis von Lithium-Ionen sind die Elektrodenschichten entscheidend, denn diese Aktivmaterialien speichern die Energie. Die Beschichtung und die anschließende Trocknung der Elektroden verursachen allerdings einen großen Teil der Batterieproduktionskosten. Dabei liegt in der Prozess- und Verfahrungstechnik ein hohes Einsparpotenzial. Forschende der Gruppe Thin Film Technology (TFT – Technologie dünner Schichten) des KIT unter Leitung von Professor Wilhelm Schabel und Dr. Philip Scharfer forschen seit Jahren in diesem Bereich. So gelang es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern bereits, die Beschichtungsgeschwindigkeit deutlich zu steigern . Zudem startete die TFT ein innovatives Trocknungsmanagement . Nun hat die Gruppe damit neue Ergebnisse erzielt: Die Kopplung der Prozessschritte Beschichtung und Trocknung führte zu einem Simultankonzept. Die Gruppe TFT entwickelt ihre Technologien zur Elektrodenherstellung in CELEST – Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe, einer der größten Batterieforschungsplattformen weltweit.
Kostengünstigere Produktion ermöglicht
„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“, erklärt Schabel. Bei der üblichen Elektrodentrocknungszeit von bis zu einer Minute sind bei Produktionsgeschwindigkeiten von 100 Metern pro Minute (m/min) und mehr lange Trocknerstrecken erforderlich. Dies ist bei Elektroden mit hohem Auftragsgewicht technisch kaum realisierbar und zunehmend teuer. Nach dem neuen Konzept werden für die einzelnen Schichten verschiedene Aktivmaterialien eingesetzt und simultan appliziert. Eine Schicht ist für die Adhäsion verantwortlich, eine für die spezifische Kapazität. Diese Schichtstruktur erlaubt eine Herstellung bei ausgesprochen hoher Trocknungsrate und auf ein Drittel reduzierten Trocknungszeiten.
Eigenschaften gezielt in den Elektrodenlagen verteilt
Trotz der reduzierten Trocknungszeit kommt es nicht zu Einbußen bei der Kapazität und damit der Reichweite der Batterie, auch nicht bei sogenannten 3C-Zyklen, das heißt Schnellladezeiten von 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 lassen sich dadurch maßschneidern 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.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die Untersuchungen im Rahmen verschiedener Forschungsclusterprojekte mit über fünf Millionen Euro. „Unsere Forschungen zeigen, dass es in Zukunft grundsätzlich möglich sein könnte, das Tempo der Batterieproduktion um 200 bis 300 Prozent zu steigern“, erklärt Schabel. 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.
Weitere Informationen: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ente.202100367
