In Lithium-Ionen-Batteriezellen sind die Elektrodenschichten entscheidend: Denn sie speichern die Energie. Sowohl das Anoden- als auch das Kathodenmaterial wird als wasser- oder lösemittelbasierte Paste in einer dünnen Schicht auf je eine Stromableiterfolie aus Kupfer und Aluminium aufgetragen. Die Herstellung benötigt viel Zeit und treibt die Investitions- und Produktionskosten nach oben.
Vor allem die Trocknung mit Strukturausbildung und Nachtrocknung bilden derzeit noch einen Flaschenhals, der die Erhöhung der Durchsatzgeschwindigkeit der gesamten Elektrodenherstellung verhindert. „Gerade dieser Bereich erlaubt jedoch deutliche Kosteneinsparungen in der Batteriezellproduktion“, erklären Forscher der Gruppe Thin Film Technology (TFT) am KIT. Sie haben deshalb nun ein neuartiges Beschichtungsverfahren entwickelt, mit dem sich Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien im Labor so schnell wie nie zuvor produzieren lassen sollen.
Deutlich kürzere Trocknungszeit
Das Projekt „Erhöhung der Durchsatzgeschwindigkeit in der Elektrodenproduktion durch ein innovatives Trocknungsmanagement“ (EPIC) zielt darauf ab, die Batterieproduktionskosten insgesamt und speziell die Energiekosten bei der Elektrodentrocknung um mindestens 20 Prozent zu senken. Die Trocknungsgeschwindigkeit soll im selben Zug um mindestens 50 Prozent erhöht werden.
Die Qualität und Langzeitstabilität der Elektroden sind dabei zu erhalten oder sogar zu verbessern. „Wesentlich ist, die einzelnen Prozessschritte zusammenhängend zu betrachten und Interaktionen zu berücksichtigen“, betont Prof. Wilhelm Schabel, TFT-Gruppenleiter und Koordinator des Projekts.
Feuchtemanagement entlang der Prozesskette
In EPIC geht es aber nicht nur um innovative Trocknungs- und Nachtrocknungstechnologien, sondern auch um ein optimal auf die Materialien abgestimmtes Feuchtemanagement entlang der Prozesskette. Das reicht von der Trocknung bis hin zur Zellassemblierung.
Die TFT-Gruppe befasst sich hierzu mit konventionellen Trocknungsverfahren und dem Einsatz von Hochleistungsstrahlern sowie mit dem gesamten Trocknungsmanagement. „Höhere Beschichtungsgeschwindigkeiten werden dann besonders attraktiv, wenn sich gleichzeitig die Trocknungszeit verkürzen lässt, damit die teure Trocknerstrecke nicht verlängert werden muss“, erklärt Dr. Philip Scharfer aus der TFT-Gruppe.
Das WBK-Institut für Produktionstechnik des KIT untersucht sowohl die Nachtrocknung direkt im Zellstapel vor der Elektrolytbefüllung als auch das Einstellen der benötigten Zellfeuchte ohne vorangegangene Nachtrocknung direkt vor der Elektrolytbefüllung. Zusammen mit der TU Braunschweig evaluieren die Forscher, wie Trocknungsintensität und -dauer die Zelleigenschaften beeinflussen.
Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm wiederum wird auf seiner Forschungsproduktionslinie, auf der sich Batteriezellen im industriellen Maßstab herstellen lassen, unter regulierter Produktionsatmosphäre die Feuchteexposition in einem mit der Serienzellfertigung vergleichbaren Maßstab abbilden.
Übertragung in industriellen Maßstab
Die Projektpartner bewerten zudem die verschiedenen Produktionsansätze anhand geeigneter Prozess-Kosten-Modelle und geben Handlungsempfehlungen für die Übertragung in einen industriellen Produktionsprozess. Neben der Energie- und Ressourceneffizienz sowie der Batteriezellqualität wollen sie dabei auch die Umweltverträglichkeit der verschiedenen Ansätze einbeziehen.
Das Projekt EPIC wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für drei Jahre mit insgesamt drei Millionen Euro gefördert. Der Projektstart war im August 2020.
