Elektrodenfolien in LiPoly-Akkus
So wird die Produktion energieeffizient und umweltfreundlich
Die konventionelle lösemittelbasierte Fertigung von Elektroden für Batterien liefert zwar gute Ergebnisse, verbraucht aber viel Ressourcen und Energie. Wie sie sich günstiger und umweltschonender produzieren lassen, hat das Fraunhofer ISIT erforscht. Die Lösung: eine Fertigung ohne Lösungsmittel.
In der Regel werden Elektrodenfolien in größerer Menge in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess gefertigt. In Beschichtungsanlagen wird das auf großen Rollen befindliche Trägermaterial über eine Anzahl von Walzen kontinuierlich abgewickelt und mit dem Elektrodenmaterial beschichtet. Dabei wird eine Suspension aus Lösungsmittel, Aktivmaterial und einem Binder, der für die Haftung des Materials sorgt, auf eine Metallfolie aufgetragen. Anschließend durchläuft die beschichtete Elektrodenfolie einen Trocknungsofen und wird schließlich auf eine andere Rolle wieder aufgewickelt. Diese Anlagen sind sehr groß; sie können in Abhängigkeit von der Dauer des Trocknungsprozesses bis zu hundert Metern lang sein.
Dieses Produktionsverfahren hat verschiedene Nachteile: Das Herstellen der Suspension dauert sehr lange, das Lösemittel ist umweltschädlich und aufgrund der langen Trocknungszeit in dem Ofen ist der Prozess selbst sehr energieaufwändig.
Deswegen setzen die Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) auf ein lösungsmittelfreies Trockenbeschichtungsverfahren. Im Zuge ihrer Forschung erzeugten sie ein Pulvergemisch aus Aktivmaterial, Leitzusätzen und einem geeigneten Binder. Um einen möglichst gleichmäßigen Auftrag und genau definierte Schichtdicken zu erzeugen, wird dieses Pulvergemisch über ein spezielles Streuverfahren auf das Trägermaterial gebracht.
Die Pulverauftragsmenge lässt sich durch die Streuparameter sowie über die Durchlaufgeschwindigkeit der Trägerfolie in der Maschine genau einstellen. Im Prinzip standen die Wissenschaftler vor der gleichen Herausforderung wie ein Konditor, der möglichst gleichmäßig, ohne Klümpchen Puderzucker auf seinem Kuchen verteilen möchte. Anschließend wird in einem kurzen Temperaturprozess das Material auf dem Träger fixiert.
Das neue, vom ISIT patentierte, lösungsmittelfreie Trockenbeschichtungsverfahren zur Herstellung von Li-Ionen-Batterieelektroden ist nach Aussagen der Forscher vielversprechend: Bei vergleichbaren elektrochemischen Eigenschaften zu Elektroden aus etablierter Herstellung, ermöglicht dieses neue Verfahren zukünftig nicht nur deutlich kompaktere Produktionsanlangen, sondern auch Primärenergieeinsparungen von bis zu 50 Prozent, da die langen und energieintensiven Trocknungsstrecken bei der Fertigung wegfallen. Sowohl die zeitlichen Einsparungen beim Herstellen der Pulvermischung als auch der durch den Wegfall der Trocknung deutlich reduzierte Energiebedarf bei der Beschichtung bieten optimale Voraussetzungen zur Reduktion von Ressourcen- und Kostenaufwand.
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