Trockentransfertechnologie DRYtraec für nachhaltige Batterien

Die Elektromobilität in Europa schreitet voran. Zur Steigerung der Dynamik müssen die Produktionskapazitäten für Batteriezellen intensiv ausgebaut und deutlich günstiger werden. Ein Forscherteam am Fraunhofer IWS in Dresden hat mit DRYtraec ein revolutionäres Verfahren entwickelt, das eine kosteneffiziente und umweltfreundliche Herstellung von Batterieelektroden erlaubt.

Nachhaltige Produktion von Lithium-Ionen-Batterien

In einer Zeit, in der elektrifizierte Fahrzeuge und stationäre Stromspeicher eine Schlüsselrolle für die klimaneutrale Zukunft der Energiewirtschaft spielen, ist die nachhaltige Produktion von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) essenziell. Mit DRYtraec (Dry transfer electrode coating) wurde ein neuartiges Verfahren der Batteriezellproduktion entwickelt, das vollständig auf den sonst üblichen Einsatz toxischer Lösemittel verzichtet und die kostenintensive Trocknung der Elektrodenschichten einspart.

Die Herausforderung der Batterieproduktion und die innovative Lösung durch DRYtraec
Elektroden sind ein zentraler Baustein jeder Batterie und bestehen in der Regel aus einer Metallfolie, die mit einer dünnen Beschichtung überzogen ist. Die Beschichtung enthält die aktiven Komponenten, die für die Energiespeicherung verantwortlich sind.

„Üblicherweise erfolgt der Beschichtungsprozess nasschemisch mit sogenannten Slurry-Ansätzen“, erklärt Dr. Benjamin Schumm (Abteilungsleiter Partikeltechnik am Fraunhofer IWS. „Die DRYtraec-Technologie erlaubt es, eine Elektrodenschicht direkt aus einem Trockengemisch – bestehend aus Aktivmaterial, Leitruß und Binder – herzustellen.“

Im Gegensatz zum konventionellen Slurry-Verfahren wird dabei kein Lösemittel eingesetzt. Eine spezielle Kalander-Vorrichtung erzeugt Scherkräfte in einem Walzenspalt und verankert so Partikel des Aktivmaterials und des Leitrußes durch die verbundene Fibrillierung des Bindemittels mechanisch. Geträgert auf den Kalanderwalzen entsteht eine komplett trockene Elektrodenschicht, die energie- und platzaufwendige Trocknung entfällt.

Zudem gelingt die doppelseitige Beschichtung in einem Schritt durch den direkten Transfer von beiden Seiten auf die Stromkollektorfolien. Die lösemittelfrei hergestellten DRYtraec-Elektroden weisen eine herausragende Leistungsfähigkeit und Stabilität auf – ohne Einbußen gegenüber Slurry-basierten Elektroden.

Der einzigartige wissenschaftlich-methodische Ansatz des walzenbasierten Trocken-film-Transferprozesses minimiert Produktionsrisiken und erleichtert die Skalierung zu größeren Beschichtungsbreiten und höheren Prozessgeschwindigkeiten. Die weltweit erste Prototypanlage wurde bereits 2013 konstruiert und die Technologie seitdem stetig weiterentwickelt. Die Anlage ermöglicht die kontinuierliche Prozessführung und Herstellung qualitativ hochwertiger Elektroden im Rolle-zu-Rolle-Verfahren.

„Wir haben für DRYtraec eine F&E-Plattform realisiert, die Industriekunden entlang der Wertschöpfungskette ein breites Angebot von der Erprobung bis zum Transfer in die kommerzielle Nutzung bietet. Mit der Lizensierung der Technologie an ein führendes Unternehmen der europäischen Automobilindustrie ebnet dies den Weg zur weiteren Skalierung bis zur Massenproduktion“, erläutert Dr. Holger Althues, Abteilungsleiter Batteriewerkstoffe am Fraunhofer IWS.

Das DRYtraec-Verfahren ist auch für die wichtigen Batterietechnologien der Zukunft geeignet, wie etwa die Natrium-Ionen– oder die Feststoffbatterie. Denn der Prozess wurde inzwischen auch für Lithium-Schwefel- und für Feststoffbatterien optimiert. Diese werden in Zukunft eine immer größere Rolle spielen, jedoch leidet die Leistungsfähigkeit der Materialien unter einer nass-chemischen Verarbeitung. Mit DRYtraec bietet sich ein vielversprechender Ansatz mit doppeltem Vorteil.

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