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Preiswerte Energiespeicher

Neues Produktionsverfahren macht Batteriezellenproduktion umweltfreundlicher

| Redakteur: Alexander Stark

So sehen die mit der neuen Trockentransfertechnologie beschichteten Elektroden aus.
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So sehen die mit der neuen Trockentransfertechnologie beschichteten Elektroden aus. (Bild: Daniel Koebbel / Fraunhofer IWS Dresden)

Um Batterien künftig preisgünstiger und umweltschonender herstellen zu können, haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden ein neues Produktionsverfahren entwickelt. Dabei beschichten sie die Elektroden der Energiespeicherzellen mit einem trockenen Film statt mit flüssigen Chemikalien.

Dresden – Bessere und kostengünstigere Produktionsmethoden für Energiespeicher sind gerade auch in Deutschland zunehmend gefragt: Alle großen Automobilhersteller haben ehrgeizige Elektrofahrzeugprogramme aufgelegt, die für eine stark steigende Batterienachfrage sorgen werden. Bisher kaufen die deutschen Unternehmen die Zellen dafür in Asien ein. Das hat vor allem zwei Gründe: Asiatische Technologiekonzerne verfügen über jahrzehntelange Erfahrungen in der Massenproduktion von Batteriezellen und in diesen Prozessen wird viel Energie verbraucht. Das macht die Fertigung an Standorten mit hohen Strompreisen wie Deutschland kostenintensiv.

Dies wollen die sächsischen Fraunhofer-Ingenieure ändern. Ihr neues Verfahren spart Energiekosten und macht giftige Lösungsmittel beim Beschichten der Energiezellen überflüssig. Ein finnisches Unternehmen erprobt die neue IWS-Technologie bereits erfolgreich in der Praxis.

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Pilotanlage erfolgreich in Finnland gestartet

Das finnische Batterieunternehmen „Broad Bit Batteries hat in seiner Fabrik in Espoo gemeinsam mit dem IWS eine Pilotanlage in Betrieb genommen, die Elektroden im Trockenfilmverfahren beschichtet statt mit feuchten Pasten, wie bisher in der Industrie üblich. Die Finnen stellen damit neuartige Natrium-Ionen-Batterien her. Im Labormaßstab kann das IWS Elektrodenfolien bereits kontinuierlich mit mehreren Metern pro Minute beschichten und kann somit das Potential für die Aufskalierung in den Produktionsmaßstab demonstrieren.

Grenzen der klassischen Nasschemie

Bisher beschichten Zellproduzenten ihre Batterieelektroden meist in einem aufwendigen nasschemischen Verfahren. Zunächst mischen sie die Aktivmaterialien, die später die gespeicherte Energie freisetzen sollen, mit speziellen Zusatzstoffen zu einer Paste. Dabei setzen sie organische Lösungsmittel zu, die teuer und meist giftig sind. Um die Fabrikarbeiter und die Umwelt zu schützen, sind hier aufwendige Vorkehrungen für Arbeitsschutz und Wiederaufbereitung notwendig. Ist die Paste auf dünne Metallfolien aufgestrichen, beginnt ein weiterer teurer Prozessschritt: Dutzende Meter lange Heizstrecken trocknen die beschichteten Folien, bevor sie weiterverarbeitet werden können. Das Trocknen verursacht in aller Regel hohe Stromkosten.

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Bindemoleküle formen ein Spinnennetz

Das neue Transferverfahren zur Trockenbeschichtung kommt dagegen ohne diese ökologisch bedenklichen und teuren Prozessschritte aus: Die IWS-Ingenieure mischen ihr Aktivmaterial mit bindenden Polymeren. Dieses Trockengemisch verarbeiten sie in einer „Kalander“ genannten Walzanlage. Die Scherkräfte in diesem Rollensystem reißen aus den Binderpolymeren ganze Molekülketten heraus. Diese Fibrillen verbinden sich mit den Elektrodenpartikeln wie in einem Spinnennetz. Dies verleiht den Elektrodenmaterialien Stabilität. Dabei entsteht ein flexibler Elektrodenfilm. Diese rund 100 Mikrometer dicke Elektrodenschicht laminiert der Kalander direkt auf eine Aluminiumfolie – und so entsteht die Batterieelektrode.

Auf dem Weg zur feuerfesten Festkörperbatterie

Auf diese Weise können wir auch Materalien für neue Batteriegenerationen verarbeiten, bei denen die klassischen Verfahren versagen, sind sich die Forscher sicher. Dazu zählen zum Beispiel Energiespeicher, die Schwefel als Aktivmaterial nutzen oder sogenannte Festkörperbatterien, die statt brennbaren Flüssigelektrolyten ionenleitende Feststoffe einsetzen. Diese Batterien sollen künftig mehr Energie im gleichen Volumen speichern können als heutige Lithium-Ionen-Batterien. Doch diese Festelektrolyte können im Kontakt zu Lösungsmitteln ihre Funktion verlieren. Um diese Speicher herzustellen, eignet sich daher ein lösemittelfreies Beschichtungsverfahren besser. Einen Meilenstein zur Herstellung von Festkörperbatterien haben die Dresdner Forscher bereits erreicht: Sie machten es möglich, Elektroden mittels Trockenfilmverfahren mit extrem niedrigen Bindergehalten herzustellen. Dies ist in ihrem aktuellen Fachartikel nachzulesen.

Die Dresdner Ingenieure wollen ihre Technologie nun gemeinsam mit Industriepartnern verfeinern, um ihr zum Durchbruch zu verhelfen.

Hier können Sie mehr über die Batterie der Zukunft erfahren: Zwei Tage, zwei Workshops! Das Fraunhofer IWS veranstaltet am 18. und 19. November 2019 die „Carbon Electrode Materials“ und die „Lithium-Metal-Anodes: Processing and Integration in Next-Generation Batteries“ in Dresden.

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