Batterieelektroden in Weltrekordzeit produzieren

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Im Wettrennen mit asiatischen Herstellern von Lithium-Ionen-Batterien holen deutsche Forscher auf. Ihnen gelang, Elektrodenfolien mit absatzweiser Beschichtung mit großer Präzision dreimal schneller zu fertigen. Die Preise für Lithium-Ionen-Batterien dürften damit deutlich purzeln.

Mit Höchstgeschwindigkeit bei der Herstellung von Elektrodenfolien sagen Wissenschaftler den hohen Kosten moderner Lithium-Ionen-Batterien den Kampf an. Einer Arbeitsgruppe um Professor Wilhelm Schabel und Dr. Philip Scharfer vom Forschungsbereich „Thin Film Technology“ (TFT) am Institut für Thermische Verfahrenstechnik des KIT ist es nach dreijähriger Forschungsarbeit gelungen, die Geschwindigkeit der intermittierenden Herstellung von Elektrodenfolien auf 100 Meter pro Minute zu steigern. Stand der Technik waren bisher 25 bis 35 Meter pro Minute.

Das ist ein bedeutender Schritt, denn die Elektrodenfolien sind die eigentlichen Energiespeicher, wie unter anderem die Springer-Autoren Jürgen Janek und Philipp Adelhelm in Kapitel „Zukunftstechnologien“ ihres Handbuchs Lithium-Ionen-Batterien beschreiben. Und mithilfe der neuartigen Beschichtungstechnologie, die nicht nur kontinuierliche Beschichtungen, sondern auch Muster mit hoher Präzision erzeugen kann, wollen die Forscher den Markt für chemische Speichertechniken kräftig aufmischen.

Fertigungskosten von Lithium-Ionen-Batterien werden sinken

Bei der Herstellung einer Elektrodenfolie wird ein Slurry aus Aktivmaterial, Ruß, Binder, Lösungsmittel und Additiven auf eine Substratfolie aus Kupfer (für die Anode) oder Aluminium (für die Kathode) aufgetragen. Die Beschichtung kann durchgehend, besser aber für nachfolgende Verfahrensschritte unterbrochen, das heißt intermittierend erfolgen. „Bei intermittierender Beschichtung kommt es darauf an, dass die Start- und Stoppkanten auch bei hohen Frequenzen sauber verlaufen“, erklärt Schabel.

Dies erreichen sie bei dem Verfahren durch eine Membran, die sich im Auftragswerk, das heißt in der Düse, schnell und gesteuert hin- und herbewegt. Dieses Verfahren verzichtet auf weitere bewegliche Teile und ermöglicht dadurch die hohen Frequenzen von bis zu 1.000 Elektrodenmustern pro Minute bei zugleich hochpräziser Beschichtung. Besondere Einstellungen an der Membran erlauben, die Fließeigenschaften der Pasten im Prozess später anzupassen. Der Verband des Deutschen Maschinen- und Anlagenbaus (VDMA) hat in einer in diesem Jahr herausgegebenen „Roadmap Batterie-Produktionsmittel“ eine Beschichtungsgeschwindigkeit von 100 Metern pro Minute als Ziel bis zum Jahr 2030 vorgegeben – dieses Ziel haben die KIT-Wissenschaftler bereits jetzt erreicht.

Mit der neuen Technologie lassen sich bis zu 300 Prozent mehr Elektrodenfolien produzieren, bei nahezu gleichbleibenden Investitionskosten. So lassen sich die Fertigungskosten von Lithium-Ionen-Batterien weiter beträchtlich senken. Die KIT-Wissenschaftler haben mit einem ähnlichen Verfahren bereits erfolgreich Elektroden für Elektrofahrzeuge im Pilotmaßstab hergestellt. Der Leiter des Projekts „Competence E“ am KIT, Dr. Andreas Gutsch, sagt dazu: „In Kombination mit der ebenfalls am KIT entwickelten und zum Patent angemeldeten Helix-Technologie für gewickelte Lithium-Ionen-Batterien bietet das neue Beschichtungsverfahren die Möglichkeit, die Kostenführerschaft zu erreichen.“