Mehr Tempo bei der Produktion von Natrium-Ionen und Lithium-Ionen-Batterien, mit weniger Rohstoffen
„Mehr Tempo bei der Produktion von Natrium-Ionen und Lithium-Ionen-Batterien, mit weniger Rohstoffen": Wie das KIT die Batteriefertigung beschleunigt und noch weniger Rohstoffe benötigt“
Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben ein innovatives Elektrodendesign entwickelt, das die Elektrodenqualität auch bei steigender Produktionsgeschwindigkeit sicherstellt. Mittels einer simultanen Mehrlagenbeschichtung können die Trocknungszeiten auf bis zu das ca. 5 fache des Stands der Technik verkürzt werden und gleichbleibenden Produktionsgeschwindigkeiten das fünffache an Anlagengröße eingespart werden. Die Ergebnisse im Leistungstest sind vielversprechend, dass dies ohne Einbußen in der Elektrodenperformance möglich ist. Die Innovation verspricht auch einen reduzierten Einsatz von Kunststoffen und Bindemittel in Elektroden. Die Forschenden berichten in der Zeitschrift Energy Technology. (DOI: 10.1002/ente.202401668).
Bei der Herstellung von Batterieelektroden sind lange Trocknerstraßen und niedrige Durchsatzraten ein entscheidender Kostenpunkt. Diese sind notwendig, um bei der zu schnellen Trocknung Einbußen in der Leistungsfähigkeit der Elektroden zu vermeiden. Wissenschaftler der Thin Film Technology (TFT) am KIT forschen seit vielen Jahren an diesem Forschungsthema - die Arbeitsgruppe ist hierfür international bekannt und führend. Es konnte hier nun u.a. gezeigt werden, dass sich durch neue Konzepte mit sehr dünnen Schichten mit hohem Binderanteil an der Ableiterfolie der Gesamteinsatz von diesem elektrochemisch sonst inaktiven Material deutlich reduzieren lässt: „Mit diesem Beschichtungsansatz zeigen wir, dass es sinnvoll ist, die Materialien im Prozess dort mehr zu platzieren, wo sie auch mehr gebraucht werden. Damit lassen sich Elektroden nicht nur schneller, sondern auch materialeffizienter und kostengünstiger produzieren. Das Ganze funktioniert nachweislich ohne Einbußen der Leistungsfähigkeit beim Entladen und könnte die Batterieproduktionsgeschwindindigkeiten beim Trocknungsprozess mehr als verdoppeln (800% gegenüber der Referenz der Publikation) und damit Produktionskosten senken“ bekräftigen POLiS Exzellenzcluster PI Professor Wilhelm Schabel und der POLiS Doktorand David Burger (Erstautor der Studie). In der Zeitschrift Energy Technology stellen David Burger von der AG TFT und Noah Keim vom Institut für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM ESS) die Ergebnisse vor. Die Ergebnisse werden zurzeit weiter ausgebaut und angewendet auf neue Batteriematerialien für Natrium/Sodium-Ionen Batterien (SIB) zur Optimierung von hierarchisch strukturierten Mikro-Strukturen für Elektrodenmaterialien. Die Forschung ist Teil des Exzellenzcluster POLiS, welcher Post-Lithium-Batterien und Materialien erforscht.
Innovativer Schichtaufbau für gezielt verbesserte Adhäsion und höhere Leistung
In enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Angewandte Materialien (IAM ESS) entwickelte das Team am KIT eine Primerschicht mit einem silikatartigen Zusatzstoff, welcher nach der Trocknung eine feste Verbindung zwischen Elektrode und Stromkollektor ermöglicht. „Durch die simultane Aufbringung von Primer und Elektrodenschicht haben wir eine Adhäsion erreicht, die selbst bei schneller Trocknung über 200 % höher ist als bei bisherigen Ansätzen“, erklären Burger und Keim. „Die Verwendung von Additiven im Primer schafft ein stabiles Netzwerk, das auch bei hoher Trocknungsrate in Position bleibt und Funktion gewährleistet.“
Die Forschergruppe konnte die Menge des Styrol-Butadien-Kautschuk-Binders (SBR) in der Elektrodenschicht um bis zu 70 % reduzieren, was deutliche Steigerung der Performance verspricht. Der Einsatz von simultanen Mehrlagenbeschichtungen ist ein entscheidender Schritt, um die Produktion von Batterien zu beschleunigen.
Potenzial für neue Batterieanwendungen
Die entwickelten Technologien sollen auf weitere Batteriearten, wie Natrium-Ionen-Batterien (SIB), ausgeweitet werden. „Unser Ansatz zeigt Potenzial für die Herstellung von Batterien mit Materialien, bei denen Adhäsion und elektrischer Kontakt oft problematisch sind. Prozessforschung an etablierten Materialsystemen muss früh auf neue Materialien übertragen werden.“, erläutert Schabel. Mit dem Übertrag wollen die Forschenden die Skalierungsforschung für die SIB-Elektrodenherstellung unterstützen.
Zukunftsaussichten
Ziel des Teams ist es nun, die Technologie so zu skalieren, dass sie industriellen Maßstäben gerecht wird, wie etwa durch eine simultane Mehrlagenbeschichtung. „Die ersten Schritte in diese Richtung sind bereits getan. Wir streben Ergebnisse an, die sich auch in den industriellen Maßstab skalieren lassen.“, erklärt Dr. Philip Scharfer, Leiter der Thin Film Technology am Campus Nord.
Über das KIT
Als Teil der Helmholtz-Gemeinschaft verfolgt das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) das Ziel, Wissen für Gesellschaft und Umwelt zu schaffen und zu vermitteln. Das KIT beschäftigt über 10.000 Mitarbeitende und bildet ca. 23.000 Studierende aus, die zur Lösung globaler Herausforderungen in den Bereichen Energie, Mobilität und Information beitragen.
Originalpublikation
David Burger, Noah Keim, Junaid Shabbir, Yuhao Gao, Marcus Müller, Werner Bauer, Alexander Hoffmann, Philip Scharfer, Wilhelm Schabel: „Simultaneous Primer Coating for Fast Drying of Battery Electrodes“ 2024, Energy Technology. https://doi.org/10.1002/ente.202401668